自適應光學人眼微視野缺損評價系統的製作方法

2023-08-13 05:29:56

專利名稱：自適應光學人眼微視野缺損評價系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自適應光學人眼微視野缺損評價系統，是一種用於對人眼早期微視野缺 損進行精細評價的光學儀器。
背景技術：
視野(Visual Field)與視力一樣對人的勞動生活有重大影響，世界衛生組織規定視野小 於100者，即使中央視力正常也屬於盲。視野檢查為眼科工作者診斷和跟蹤隨訪主要的致盲 眼病提供了重要信息。勿庸置疑，視野檢查是診斷和監測青光眼以及其它一些視覺、視神經 疾病的基本方法。先進的視野檢查為相關疾病的早期診斷和病情監測提供了可能，同時為成 功治療創造了條件。但是，早期細微視野缺損臨床難以診斷；以青光眼為例，當採用標準自 動視野計能夠診斷存在視野缺損時，已有25%到30%的神經節細胞已經死亡，並且可能存在 更多的神經節細胞已經喪失功能或靈敏度降低，疾病危害已經到了非常嚴重的程度。
早期視野缺損臨床難以診斷的一個原因在於人眼存在"視覺冗餘"，即人眼對刺激視標的 響應是多個神經元或功能細胞共同作用的結果。另一個重要原因在於，現有視野計存在"刺激 冗餘"，即剌激視標在眼底覆蓋一定區域而不是對單細胞刺激。以目前臨床使用的視野計的最 小刺激視標為例，其對應的視角為0.1^左右，即使在不考慮人眼屈光系統的影響下，該視標 在眼底黃斑中心大約覆蓋150個視錐細胞，使得人眼對視標的響應為視標覆蓋區域視錐細胞 以及與其直接或間接相連的所有功能細胞共同響應的綜合結果。如果視標剌激範圍內僅有一 部分功能細胞功能喪失而其餘細胞功能正常，藉助於功能正常細胞對刺激視標的響應受試者 仍然可以作出正確的判斷，從而使得臨床上很難發現早期細微的視野缺損或中心暗點，進而 難以實現對青光眼、視神經萎縮等相關疾病的早期診斷。
為了降低"視覺冗餘"和"刺激冗餘"對早期細微的視野缺損或中心暗點檢査的影響，近年 來發展了短波長自動視野計、倍頻視野計、高通分辨視野計等新型的視野計，通過對短波、 中波和長波錐細胞及其對應視路進行選擇刺激以降低"視覺冗餘"對視野檢査的影響，但是其 刺激視標本身仍然是冗餘的，因此同樣難以發現早期細微的視野缺損或中心暗點。
解決"刺激冗餘"的可能方法之一是採用儘可能小的刺激視標，其極限情況是進行單細胞 刺激。但是，視野檢査是一種心理物理學方法，刺激視標必須通過人眼屈光系統投射到視網
膜上。刺激視標在眼底的成像不可避免地受到瞳孔直徑和人眼像差的影響。瞳孔直徑決定了 可投射到眼底視網膜上最小的視標尺寸，它受限於屈光系統物理衍射極限，採用擴瞳的方式 可以獲得視細胞(微米量級)分辨的視網膜圖像；而人眼像差的大小決定了投射到眼底的刺 激視標圖像質量，人眼像差的存在使得刺激視標在眼底產生變形和擴展，即使採用微小刺激 視標也會形成冗餘刺激。因此，採用微小剌激視標進行早期細微視野缺損或中心暗點評價時， 必須消除人眼像差對微小視標向眼底投射的影響。
2006年，美國羅徹斯特大學視覺科學中心的Walter Makous和D. R.Williams等人首次提 出將自適應光學技術用於人眼細微視野缺損或中心暗點檢査("Retinal microscotomas revealed with adaptive-optics microflashes", Walter Makous, Josepb Carroll, et al.， Investigative Ophthalmology & Visual Science, 9:4160-4167,2006)。他們採用視角為7.5，和0.75'的兩種固定 的微小刺激視標，通過自適應光學系統矯正人眼像差，使得0.75'刺激視標55%的光強作用於 眼底單個錐細胞，矯正人眼像差後刺激的集中度相對於矯正前提高了 6倍多，大大降低了刺 激視標的冗餘度。採用微小刺激視標，WalterMakous在實驗中對l例存在中波錐細胞缺損的 綠色盲和7例錐細胞正常(l例綠色盲，l例紅色弱，5例色覺正常)的受試眼測量其視覺頻 率曲線(Frequency-of-Seeing curve)。目前Makous等人的研究還處於探索階段，其主要目的 是考察自適應光學技術對微視野檢査的有效性，其研究手段還存在以下幾個方面的不足
第一，Makous等人採用已知存在錐細胞缺損的受試者作為測試對象，其刺激視標設計 具有明確的針對性。如果受試者錐細胞缺損狀態未知，其單一且固定的刺激視標未必能有效 檢測到隨機分布的細微視野缺損或中心暗點。
第二， Makous等人所採用的刺激視標位置固定，本質上屬於一種靜態視野檢查方法，僅 能對有限的區域進行檢査；
第三，Makous等人在實驗測量受試者視覺頻率曲線時，為了消除像差探測信標光對測試 的影響，其自適應光學系統處於鎖存狀態，因此無法監測視覺頻率曲線測試過程中人眼像差
的波動情況。

發明內容
本發明要解決的技術問題是通過自適應光學技術校正人眼像差，採用微小刺激視標大 大降低視野評價中的"刺激冗餘"，從而對人眼早期細微視野缺損進行有效評價，發現由如青 光眼等疾病引起的早期細微視野缺損，為相關疾病的早期診斷提供有力工具。
本發明的技術方案是自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於它由近紅外 信標、準直鏡、第一反射鏡、第一分光鏡、人眼、光束匹配望遠鏡、波前校正器、光束匹配 望遠鏡、第二反射鏡、第二分光鏡、哈特曼波前傳感器、計算機、高壓放大器、第三反射鏡、
成像光學系統和刺激視標顯示裝置組成，近紅外信標發出的光，經準直鏡準直，經第一反射 鏡和第一分光鏡反射進人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透過第一分光鏡和光束匹配望遠鏡， 再經波前校正器反射，通過光束匹配望遠鏡，至第二反射鏡，第二反射鏡將反射光通過第二 分光鏡反射進哈特曼波前傳感器，該哈特曼波前傳感器將採得的光斑圖像送至計算機處理得 到人眼波像差，計算機根據測得的人眼波像差經控制軟體處理得到波前校正器控制電壓，經 高壓放大後驅動波前校正器產生相應變化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成後，由計算 機通過軟體生成刺激視標，經視頻信號送入刺激視標顯示裝置顯示刺激視標，受試人眼通過 第一分光鏡、光束匹配望遠鏡、波前校正器、光束匹配望遠鏡、第二反射鏡、第二分光鏡、 第三反射鏡、成像光學系統觀察刺激視標並做出判斷，通過記錄受試者的判斷對人眼視野微 缺損情況進行評價。
所述的哈特曼波前傳感器是基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器，或基於微透鏡陣列的 哈特曼波前傳感器。
所述的波前校正器是變形反射鏡、或液晶波前校正器、或微機械薄膜變形鏡、或雙壓電 陶瓷變形鏡。
所述的刺激視標顯示裝置是CRT顯示器、或商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子 體顯示器、或場致發光顯示器、或有機發光顯示器。
所述的近紅外信標可以是近紅外雷射器，或近紅外半導體雷射器，或近紅外超輻射半導 體器件。
本發明與現有技術相比所具有的優點是
1、 本發明採用自適應光學技術矯正人眼動態像差，大大降低了由於人眼像差引起的視野 檢査刺激冗餘，從而及時發現由於疾病引起的早期細微視野缺損，為人眼微視野評價和相關 疾病的早期診斷提供有力工具。
2、 本發明刺激視標圖案由計算機軟體生成，通過視頻信號送入刺激視標顯示裝置顯示， 刺激視標大小、數量、位置和強度均可由計算機進行精確控制。因此，視野檢查刺激視標設 計更加靈活，從而可以有效檢測到隨機分布的細微視野缺損或中心暗點，並可以實現動態視 野檢查。
3、 本發明採用人眼不可見近紅外信標，可以避免信標光對視野評價的影響，因此可以實 現在視野評價的同時對人眼像差進行實時監測和校正，保證整個測試過程不受人眼像差的影 響。


圖1為自適應光學人眼微視野缺損評價系統結構示意圖2a為基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器結構示意圖圖2b為基於微稜鏡陣列的哈 特曼波前傳感器工作原理示意圖3a為基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器結構示意圖；圖3b為基於微透鏡陣列的哈 特曼波前傳感器工作原理示意圖4為兩種刺激視標示例；
圖中l為近紅外信標、2為準直鏡、3為第一反射鏡、4為第一分光鏡、5為人眼、6為 光束匹配望遠鏡、7為波前校正器、8為光束匹配望遠鏡、9為第二反射鏡、10為第二分光鏡、 ll為哈特曼波前傳感器、12為計算機、13高壓放大器、14第三反射鏡、15成像光學系統、 16為刺激視標顯示裝置。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。
如圖1所示，本發明由近紅外信標l、準直鏡2、第一反射鏡3、第一分光鏡4、人眼5、 光束匹配望遠鏡6、波前校正器7、光束匹配望遠鏡8、第二反射鏡9、第二分光鏡IO、哈特 曼波前傳感器ll、計算機12、高壓放大器13、第三反射鏡14、成像光學系統15和刺激視標 顯示裝置16組成，其中近紅外信標1可以是雷射器laser、半導體雷射器laser diode和超輻射 半導體器件super luminescent diode—SLD;波前校正器7可以是變形反射鏡deformable mirror、 液晶波前校正器liquid crystal device、微機械變形鏡micro-machined deformable mirror和雙壓 電陶瓷變形鏡bimorph mirror;哈特曼波前傳感器11可以是基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳 感器，或是基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器；刺激視標顯示裝置16可以是CRT顯示器、 商用投影儀、彩色液晶顯示器、等離子體顯示器、場致發光顯示器和有機發光顯示器；消除 人眼角膜的雜光消除可以採用偏軸照明的方法或者採用偏振光源照明，眼底反射光是退偏 的，角膜散射光則不退偏，通過檢偏器檢不同的偏振態來濾除角膜雜光。
本實施例的自適應光學人眼微視野缺損評價系統工作過程如下近紅外信標I發出的光， 經準直鏡2準直，經第一反射鏡3和第一分光鏡4反射進人眼瞳孔；人眼5眼底反射的光， 透過第一分光鏡4和光束匹配望遠鏡6，再經波前校正器7反射，通過光束匹配望遠鏡8，至 第二反射鏡9，第二反射鏡9將反射光通過第二分光鏡10反射進哈特曼波前傳感器11，該哈 特曼波前傳感器11將採得的光斑圖像送至計算機12處理得到人眼波像差，計算機12根據測 得的人眼波像差經控制軟體處理得到波前校正器7控制電壓，經高壓放大13後驅動波前校正 器7產生相應變化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成後，由計算機軟體生成刺激視標， 經視頻信號送入刺激視標顯示裝置16顯示刺激視標，受試人眼5通過第一分光鏡4、光束匹 配望遠鏡6、波前校正器7、光束匹配望遠鏡8、第二反射鏡9、第二分光鏡IO、第三反射鏡
14、成像光學系統15觀察刺激視標並做出判斷，通過記錄受試者的判斷對人眼視野微缺損情 況進行評價。本發明採用人眼不可見近紅外信標，可以避免信標光對視野評價的影響，因此 可以實現在視野評價的同時對人眼像差進行實時監測和校正，保證整個測試過程不受人眼像 差的影響。
哈特曼波前傳感器11可以是基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器，如圖2a所示。由二 維鋸齒形相位光柵陣列結構的微稜鏡陣列11-1、傅立葉透鏡11-2和位於透鏡焦平面的CCD 11-3組成。入射光束經微稜鏡陣列ll-l後，各個子孔徑的光束分別產生了相應的相位變化， 經由緊貼其後的傅立葉透鏡11-2,和位於傅立葉透鏡焦面上的CCD 11-3探測其光強分布，該 光強分布包含著二維鋸齒形相位光柵陣列11-1所產生的相位信息，每個子孔徑所產生的相位 變化不同，因而在傅立葉透鏡ll-2焦面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。標 準平面波入射產生的光斑陣列事先被保存起來作為標定數據；當具有一定像差的波前入射時， 各個局部傾斜平面波對其子孔徑內二維鋸齒形相位光柵產生新的附加相位，該相位變化將反 映到傅立葉透鏡11-2焦面的光斑位置偏移上。
CCD 11-3接收到的光斑信號可通過計算機進行處理，採用質心算法由公式①計算光斑 的位置(x1，y1)，探測全孔徑的波面誤差信息
formula see original document page 7式中，m=l~M， n=l~N為子孔徑映射到CCD 11-3光敏靶面上對應的像素區域，M和N 分別為子孔徑映射到光敏靶面上對應區域的橫向和縱向像素數，Inm是CCD 11-3光敏靶面上 第(n，m)個像素接收到的信號，xnm， ynm分別為第(n,m)個像素的x坐標和y坐標。
再根據公式②計算入射波前的波前斜率g力，formula see original document page 7式中，(x。,y。)為標準平面波標定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準位置；哈特曼傳感 器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(；c,，_y,)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測，其
工作原理示意圖如圖2b所示。
哈特曼波前傳感器11也可以是基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器，如圖3a所示，由 微透鏡陣列11-4和光電探測器件11-5組成，其工作原理為入射光束經微透鏡陣列11-4後， 在其焦面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割；保存標準平面波入射產生的光斑 陣列作為標定數據。當具有一定像差的波前入射時，各個微透鏡上的局部波前傾斜引起微透 鏡陣列焦面上的光斑位置發生偏移，其工作原理示意圖如圖3b所示。光電探測器件ll-5接 收到的光斑信號通過計算機進行處理，處理方式與前面所述的基於微稜鏡陣列的哈特曼波前 傳感器相同。
刺激視標顯示裝置16是CRT顯示器、或商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子體 顯示器、或場致發光顯示器或有機發光顯示器。刺激視標圖案由計算機12通過軟體生成，通 過視頻信號送入刺激視標顯示裝置16顯示，因此刺激視標大小、數量、位置和強度均可由計 算機12進行精確控制。圖4為軟體隨機產生的兩種刺激視標示例，左圖為同時產生4個刺激 視標，而右圖僅產生一個略大刺激視標。因此，視野檢查刺激視標設計相當靈活，並可以實 現動態視野檢查。另外，本發明採用人眼不可見近紅外信標，可以避免信標光對視野評價的 影響，因此可以實現在視野評價的同時對人眼像差進行實時監測和校正，保證整個測試過程 不受人眼像差的影響。
權利要求
1、自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於它由近紅外信標(1)、準直鏡(2)、第一反射鏡(3)、第一分光鏡(4)、人眼(5)、光束匹配望遠鏡(6)、波前校正器(7)、光束匹配望遠鏡(8)、第二反射鏡(9)、第二分光鏡(10)、哈特曼波前傳感器(11)、計算機(12)、高壓放大器(13)、第三反射鏡(14)、成像光學系統(15)和刺激視標顯示裝置(16)組成，近紅外信標(1)發出的光，由準直鏡(2)準直，經第一反射鏡(3)和第一分光鏡(4)反射進人眼(5)瞳孔；人眼(5)眼底反射的光，透過第一分光鏡(4)和光束匹配望遠鏡(6)，再經波前校正器(7)反射，通過光束匹配望遠鏡(8)，至第二反射鏡(9)，第二反射鏡(9)將反射光透過第二分光鏡(10)反射進哈特曼波前傳感器(11)，該哈特曼波前傳感器(11)將測得的誤差信號送至計算機(12)處理成人眼波像差；計算機(12)根據測得的人眼波像差經計算機控制軟體處理得到波前校正器(7)控制電壓，經高壓放大(13)後驅動波前校正器(7)產生相應變化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成後，由計算機(12)通過軟體生成刺激視標，經視頻信號送入刺激視標顯示裝置(16)顯示刺激視標，受試人眼(5)通過第一分光鏡(4)、光束匹配望遠鏡(6)、波前校正器(7)、光束匹配望遠鏡(8)、第二反射鏡(9)、第二分光鏡(10)、第三反射鏡(14)、成像光學系統(15)觀察刺激視標並做出判斷，通過記錄受試者的判斷對人眼視野微缺損情況進行評價。
2、 根據權利要求l所述的自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於所述的哈 特曼波前傳感器(11)是基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器，或基於微透鏡陣列的哈特曼 波前傳感器。
3、 根據權利要求1所述的自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於所述的波前 校正器(7)是變形反射鏡、或液晶波前校正器、或微機械薄膜變形鏡、或雙壓電陶瓷變形鏡。
4、 根據權利要求1所述的自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於刺激視標顯 示裝置(16)是CRT顯示器，或商用投影儀，或彩色液晶顯示器，或等離子體顯示器，或場 致發光顯示器，或有機發光顯示器。
5、 根據權利要求1所述的自適應光學人眼微視野缺損評價系統，其特徵在於近紅外信 標(1)可以是近紅外雷射器，或近紅外半導體雷射器，或近紅外超輻射半導體器件。
全文摘要
自適應光學人眼微視野缺損評價系統，信標發出的光，經準直鏡、第一反射鏡和分光鏡進人眼瞳孔；眼底反射光透過分光鏡和光束匹配望遠鏡、波前校正器反射、光束匹配望遠鏡、第二反射鏡、分光鏡進入哈特曼波前傳感器，計算機根據測得的像差計算控制電壓，經高壓放大後驅動波前校正器校正人眼像差，在像差校正完成後，由計算機軟體生成刺激視標並在刺激視標顯示裝置上顯示，受試者通過系統觀察刺激視標並做出判斷，通過記錄受試者的判斷對人眼視野微缺損情況進行評價。本發明採用自適應光學技術大大降低由於人眼像差引起的視野檢查刺激冗餘，及時發現由於疾病引起的早期細微視野缺損，為人眼微視野評價和相關疾病的早期診斷提供有力工具。
文檔編號A61B3/024GK101336823SQ200810119128
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者張雨東, 雲 戴, 王海英, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所