一種測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置及方法

2023-05-25 08:27:16 2

專利名稱：一種測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量血氧飽和度的裝置及方法，特別是一種對視網膜動靜脈和毛 細血管血氧飽和度進行測量的裝置及方法。
背景技術：
雷射共焦掃描顯微鏡(confocalscanning laser ophthalmoscope，CSL0)用雷射 作為光源，雷射光束經照明針孔形成點光源，對樣本內焦平面上的每一點掃描。標本上的被 照射點，在探測針孔處成像。照明針孔與探測針孔相對於物鏡焦平面是共軛的，焦平面外的 點不會在探測針孔處成像，這樣就得到了樣本光學橫斷面的共焦圖像，它大大提高了系統 的解析度。
自適應光學(Adaptive Optics, AO)是國際上近20年來發展起來的光學新技術， 它利用光電子器件實時測量像差動態畸變，用快速的電子系統進行計算和控制，用能動器 件進行實時像差校正，使光學系統具有自動適應外界條件變化，始終保持良好工作狀態的 能力，在高解析度成像觀測中具有重要的應用。
分光光度計是指利用多個光譜通道進行圖像採集、顯示、處理和分析解釋的技術。 在生物醫學應用方面，利用血液中血紅蛋白對不同波長光吸收的不同，可以分析血氧飽和度。
人眼的視網膜圖像是眼科診斷和治療中不可或缺的重要信息。醫學研究表明許多 視網膜的病變會引起氧氣的大量消耗，如糖尿病引起的視網膜病變、青光眼、血管阻塞等。 通過分光光度計觀察視網膜中血氧的變化能夠對這些疾病進行早期診斷和檢測，但是活體 人眼存在各種像差，導致視網膜成像的解析度和對比度受到很大限制，同時也極大的限制 了血氧測量的解析度。禾Ij用自適應光學能夠校正眼底像差，得到高解析度的視網膜圖像。在 中國專利申請號201010197(^8.0中介紹了一種基於自適應光學的反射式共焦掃描視網膜 成像系統(adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope，A0SL0)。A0SL0 結合了自適應光學技術和共焦掃描成像技術，能夠得到人眼活體高解析度視網膜圖像，但 無法測量眼底視網膜的血氧飽和度。發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種測量眼底視網膜血 氧飽和度的裝置及方法，利用分光光度計技術和A0SL0技術，處理幾幅不同波長的眼底視 網膜高解析度圖像，以測定眼底視網膜血管的血氧飽和度。
本發明的技術解決方案一種測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置，包括
(1) 一個能產生至少兩個特定波長光的裝置；
(2)基於自適應光學的雷射共焦掃描檢眼鏡(A0SL0)光學系統和控制系統；
(3)探測上述特定波長光的裝置；
(4)數據採集裝置；
(5)數據處理裝置，即用以確定血氧飽和度的裝置；
由能產生至少兩個不同波長光的裝置產生多個特定波長的光，將產生的光依次作 為AOSLO的光學系統和控制系統的光源，並用本裝置觀察人眼視網膜；視網膜反射回來的 光，由探測光的裝置探測，然後將其探測的光信號由數據採集裝置採集；AOSLO的光學系統 和控制系統，能夠利用自適應光學校正眼底像差，對活體視網膜高解析度成像，同時自適應 光學能夠利用變形鏡產生離焦，實現視網膜的縱向層析，使不同波長的光能對視網膜同一 位置成像；不同波長的光對視網膜同一位置的血管成像，由數據處理裝置配準不同波長的 圖像後，計算該血管的血氧飽和度。
一種測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置及方法步驟如下
(1)利用能產生至少兩個不同波長光的裝置，依次產生至少兩個個特定波長的光， 這些特定波長的光至少包括一個氧化還原蛋白和還原血紅蛋白的消光係數差別較大的波 長的光即一種對血氧飽和度敏感的光；
(2)將能產生至少兩個不同波長光的裝置產生的多個波長的光依次作為AOSLO的 光學系統和控制系統的光源，並用本裝置觀察眼底視網膜；
(3)利用AOSLO的光學系統和控制系統利用自適應光學產生離焦，以便使不同波 長的光對視網膜血管層中的同一層成像；
(4)利用光探測裝置探測信號，並由數據採集裝置採集，然後輸入數據處理裝置；
(5)數據處理裝置對採集到的不同波長的圖像進行配準，以便提取視網膜相同位 置的多波長信息；
(6)數據處理裝置在上述不同波長圖像中的任意一幅圖像中，沿血管尋找多個血 管內最暗點和離最暗點固定距離的組織中的點，提取這些點的灰度信息，計算該血管的血 氧飽和度。
本發明與現有技術相比有如下優點
(1)本發明採用光譜技術能無損地測量眼底視網膜血氧飽和度。
(2)目前眼底視網膜血管血氧的測量裝置，都只能測量眼底大血管的血氧飽和度。 本發明採用了自適應光學技術，顯著提高了圖像的解析度，能測量更加精細結構的血氧飽 和度，能測量眼底毛細血管的血氧飽和度。
(3)利用變形鏡產生離焦，能對視網膜做縱向層析，使不同波長的光能對視網膜血 管層同一層成像，避免了複雜的消色差操作。
(4)採用不同波長的光對視網膜依次成像的方法，既避免了多波長同時成像需要 的分光、多路同時探測等操作，同時也合理利用了光能。


圖1為眼底視網膜血氧飽和度測量方法的流程圖2為含氧血紅蛋白與還原血紅蛋白的消光係數；
圖3為本發明的眼底視網膜血氧飽和度測量裝置的組成結構圖4為多波長圖像配準過程流程圖5為眼底視網膜血氧飽和度測量裝置工作流程圖。
其中1，2為SLD光源，3，4為準直透鏡，5、6為濾光片，7、8、24為分光鏡，9、10、12、13、15、16、18、20為球面反射鏡，19,21為平面反射鏡，11為變形鏡，17為Y方向掃描鏡，14 為X方向掃描鏡，22為驗光透鏡，23為人眼，26為聚焦透鏡，27為針孔，28為光電倍增管 (PMT)，29為信號調理電路和圖像採集卡，25為哈特曼傳感器，30，31為電腦。7、8、9、10、11、 12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、24、25、26、27、31 為 AOSLO 的光學系統和控制系統。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。本實施方案以基於自適應光學的 共焦掃描檢眼鏡(AOSLO)為平臺，利用光譜技術測量眼底視網膜血氧飽和度，其流程如圖 1、5所示；具體步驟如下
(1) 一個能產生至少兩個特定波長光的裝置32由SLD光源1、2，準直透鏡3、4和 濾光片5、6組成。SLD光源1、2的中心波長分別為680nm和796nm，經過準直透鏡3、4準直 後，分別利用濾光片5、6濾出中心波長為680nm、796nm帶寬為7nm的兩個波長的光，其中 796nm的光是對血氧飽和度不敏感的光，680nm的光是對血氧飽和度敏感的光；
(2)將680nm的光作為AOSLO光學系統和控制系統25的光源，AOSLO光學系統和 控制系統32包括分光鏡7、8、對，球面反射鏡9、10、12、13、15、16、18、20，平面反射鏡19、21， 變形鏡11，X方向掃描鏡14，Y方向掃描鏡17，驗光透鏡22，哈特曼傳感器25，聚焦透鏡26， 針孔27，電腦31。
680nm的光依次通過分光鏡7、8，然後依次被球面反射鏡9，10、變形鏡11、球面反 射鏡12、13、X方向掃描鏡14、球面反射鏡15和16、Y方向掃描鏡17、球面反射鏡18、平面 反射鏡19、球面反射鏡20、平面反射鏡21反射，最後通過驗光透鏡22後，在活體人眼視網 膜23匯聚於一點。光路中通過X方向掃描鏡14和Y方向掃描鏡17完成對活體人眼視網 膜23某個區域的掃描。活體人眼視網膜23反射回來的光按原光路返回，通過分光鏡8後， 被分光鏡M分成兩路。一路光被哈特曼傳感器25探測，該信號經過電腦31處理後控制37 單元變形境5校正眼底像差。另外一路光通過聚焦透鏡沈和針孔27後被探測光的裝置33 探測。
(3)利用變形鏡11產生離焦，就可以縱向層析視網膜，觀察視網膜血管層圖像；
(4)選擇光電倍增管28作為探測光的裝置33。用光電倍增管28探測680nm的光， 通過數據採集裝置34即信號調理電路和圖像採集卡四對兩路信號整形放大，並採集數據 輸入數據處理裝置35即電腦30 ；
(5)將796nm的光作為AOSLO的光源，校正人眼像差後，得到高解析度視網膜圖 像；
(6)利用變形鏡11產生離焦，在採集上幅圖像(680nm作為AOSLO光源時採集的圖 像)的相同位置再採集圖像；
(7)在電腦30中編寫軟體處理多波長圖像，具體方法為首先採用基於互信息 的方法對採集到的680nm和796nm的圖像進行配準。A和B兩幅圖像的互信息的定義為I {A, B) = J^ pAB (/, j) log pJjyfs{ij)唭中 PAB(i，j)為圖像 A和 B 的聯合概率密度，pA (i, j)*PB(i，j)分別為圖像A、B的概率密度。pAB(i，j)用兩幅圖像的聯合直方圖來表示，同時 PA(i，j) *PB(i，j)分別用兩幅圖像的直方圖來表示。互信息表示兩幅圖像的相似度，互信息越大，兩幅圖像相似度越高，配準的效果越好。將一幅圖像做仿射變換，計算變換後與另 一幅圖像的互信息。不斷變換仿射變換的參數，尋找互信息極大值即可完成配準。圖像中一點(x，y)1S仿射變換到點(χ'，y' )τ的變換公式為
權利要求
1.一種測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置，其特徵在於包括一個能產生至少兩個不同波長光的裝置(32)，其中至少一個波長的光應是對血氧飽和 度敏感的光；基於自適應光學的雷射共焦掃描檢眼鏡(adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope, A0SL0)的光學系統和控制系統(33)；探測光的裝置(34)；數據採集裝置(35)；數據處理裝置(36)，即用以確定血氧飽和度的裝置；由一個能產生至少兩個不同波長光的裝置(3 產生多個特定波長的光，將產生的光 依次作為AOSLO的光學系統和控制系統(33)的光源，並觀察活體人眼視網膜；視網膜反射 回來的光，由探測光的裝置(34)探測，然後將其探測的光信號由數據採集裝置(3 採集； AOSLO的光學系統和控制系統(33)利用自適應光學校正眼底像差，對活體視網膜高解析度 成像，同時利用變形鏡產生離焦，實現視網膜的縱向層析，使不同波長的光能對視網膜同一 位置成像；不同波長的光對視網膜同一位置的血管成像，由數據處理裝置(36)配準不同波 長的圖像後，計算該血管的血氧飽和度。
2.根據權利1要求的測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置，其特徵在於所述A0SL0光 學系統和控制系統(33)包括三個分光鏡(7、8、對)，八個球面反射鏡(9、10、12、13、15、16、 18、20)，兩個平面反射鏡(19、21)，變形鏡(11)，X方向掃描鏡(14)，Y方向掃描鏡(17)，驗 光透鏡(22)，哈特曼傳感器(25)，聚焦透鏡( )，針孔(XT)和電腦(31)；能產生至少兩個 特定波長光的裝置(3 產生的光首先通過分光鏡(7、8)，然後依次被球面反射鏡(9，10)、 變形鏡(11)、球面反射鏡(12、13)、X方向掃描鏡(14)、球面反射鏡(15、16)、Y方向掃描鏡 (17)、球面反射鏡(18)、平面反射鏡(19)、球面反射鏡(20)、平面反射鏡反射，最後通 過驗光透鏡02)後，在活體人眼視網膜03)匯聚於一點；光路中通過X方向掃描鏡(14) 和Y方向掃描鏡(17)完成對活體人眼視網膜03)某個區域的掃描。活體人眼視網膜03) 反射回來的光按原光路返回，通過分光鏡(8)後，被分光鏡04)分成兩路，一路光被哈特曼 傳感器0 探測，該信號經過電腦(31)處理後控制變形境( 校正眼底像差，另外一路光 通過聚焦透鏡06)和針孔(XT)後被探測光的裝置(34)探測。
3.根據權利1要求的測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置，其特徵在於所述一個能產 生至少兩個特定波長光的裝置(3 由SLD光源(1、2)，兩個準直透鏡(3、4)和兩個濾光片 (5,6)組成；兩個SLD光源(1、2)的中心波長分別為680nm和796nm，經過分別準直透鏡(3、 4)準直後，分別利用濾光片(5、6)濾出中心波長為680nm、796nm帶寬為7nm的兩個波長的 光，其中796nm的光是對血氧飽和度不敏感的光，680nm的光是對血氧飽和度敏感的光。
4.根據權利1要求的測量眼底視網膜血氧飽和度的裝置，其特徵在於所述數據處理 裝置(36)的實現過程為首先採用基於互信息的方法對採集到的680nm和796nm的圖像進 行配準；對採集到的680nm和796nm的視網膜圖像完成配準後，在680nm的圖像中沿血管方 向尋找多個最暗點，並找到離每個最暗點固定距離的組織中的點；假設某個最暗點亮度為 I，離此最暗點固定距離的組織中的點的亮度為Itl，則在相同的位置分別計算680nm、796nm兩幅圖像的Iq和I之比的對數OD = log(^),計算680nm、796nm兩幅圖像的OD之比ODR =0D68Q/0D796，其中OD680為680n m圖像的I0和I之比的對數，其中OD796為796nm圖像的I0和 I之比的對數，選取多個最暗點計算ODR然後取平均，以提高ODR的測量精度；ODR與血氧飽 和度成線性關係，通過ODR就可以得到血管內該位置的血氧飽和度。
5. 一種測量眼底視網膜血氧飽和度的方法，其特徵在於實現步驟如(1)利用能產生至少兩個不同波長光的裝置，依次產生至少兩個個特定波長的光，這些 特定波長的光至少包括一個氧化還原蛋白和還原血紅蛋白的消光係數差別較大的波長的 光即一種對血氧飽和度敏感的光；(2)將能產生至少兩個不同波長光的裝置產生的多個波長的光依次作為AOSLO的光學 系統和控制系統的光源，並用本裝置觀察眼底視網膜；(3)AOSLO的光學系統和控制系統利用自適應光學產生離焦，使不同波長的光對視網膜 血管層中的同一層成像；(4)利用光探測裝置探測視網膜的反射光，並由數據採集裝置採集，然後輸入數據處理 裝置；(5)數據處理裝置對採集到的不同波長的圖像進行配準，以便提取視網膜相同位置的 多波長信息；(6)數據處理裝置在上述不同波長圖像中的任意一幅圖像中，沿血管尋找多個血管內 最暗點和離最暗點固定距離的組織中的點，提取這些點的灰度信息，計算該血管的血氧飽 和度。
全文摘要
一種測量眼底視網膜血氧飽和度的方法和裝置，其特徵在於以基於自適應光學的雷射共焦掃描檢眼鏡(adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope，AOSLO)為平臺，選擇至少兩個不同波長的光作為AOSLO的光源，利用自適應光學校正眼底像差後，對視網膜依次成像。利用變形鏡產生離焦，實現視網膜的縱向層析，以便對視網膜血管層同一位置成像。對得到的多個波長的高解析度視網膜圖像進行配準，並沿血管提取血管內多個最暗點和離最暗點固定距離的組織中的點。處理數據，得到此血管的血氧飽和度。本發明利用自適應光學校正眼底像差，能得到視網膜高解析度圖像；通過處理多波長圖像，能測量眼底視網膜動靜脈和毛細血管的血氧飽和度。
文檔編號A61B5/1455GK102028477SQ20101061778
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者盧婧, 史國華, 張雨東, 李 昊 申請人:中國科學院光電技術研究所