专利名称：一种全视网膜光学功能成像系统的制作方法现代眼科学检查技术为医生对眼科疾病的诊断提供了强有力的工具。从广义上来 说，眼科相关的检查包括形态学检查与功能性检查两大类。前者包括眼底彩色照相、眼底荧 光血管造影、相干光断层成像(OCT)、眼B超、Pentacam眼前段分析仪、IOL MASTER眼前段分 析仪等；后者包括视力、视野、眼电生理学检查等。随着科技的发展，眼科相关的形态学检查 技术日新月异彩色眼底照相可以采集视网膜彩色图像；眼底荧光血管造影和吲哚青绿脉 络膜血管造影的广泛开展使各种血管性疾病得到及时准确的诊断；IOL Master使得人工晶 体植入相关的各种术前检查可以在同一台机器上同时完成，且精度大为提高；最新的谱域 OCT成像技术使得黄斑区细微的解剖结构得以完美呈现；人眼视网膜自适应光学成像仪更 是把眼底的形态学图像上升到细胞层面……尽管形态学检查的手段日新月异，眼科相关的 功能检查却远远落后于形态学检查的进展。在眼科功能检查方面，眼电生理学检查几乎是目前眼科领域唯一的客观功能检测 手段。它包括眼电图(E0G)、视网膜电图(ERG)、视觉诱发电位(VEP)等等。近些年来，多焦 电生理(包括多焦视网膜电图、多焦视觉诱发电位)检查技术的出现使得眼科临床医师能够 判断不同区域视网膜和/或视神经以及视皮层的功能，但是，基于电生理的功能检查技术 有以下几方面的缺点1)直观性差。电生理检查结果的表述大多是基于电位、波形变化产 生的线条图，不熟悉电生理领域的眼科医师读图困难；2)检测范围有限。举例来说，多焦视 网膜电图(m-ERG)可以检测中心30度视野范围内61个区域的视网膜反应，对于更周边的 视网膜区域检测效果差；3)变异性大，易受周围环境影响。所有的电生理检查方法，都会受 到一些生理、物理等因素的影响，而且各个实验室的正常值也不尽相同，这就给不同实验室 结果间的比较造成了困难；4)与形态学检测的结果不能直接对应。举例来说，尽管可以通 过后期图像处理将眼底照相与m-ERG的各个区域的波形加以叠加，但是这种叠加的对应关 系并不准确，而且很不直观。鉴于眼科电生理检查存在这些缺点，眼科临床医师迫切希望能 够找到一种新的用于视网膜功能评估的技术，这种新技术要求客观、更直观、更稳定、分辨 率高且能与视网膜的形态学图像直接对应。现有的脑光学成像的工作原理当脑神经组织被兴奋时，其血流量以及血氧饱和 度会增加，导致其光反射特性发生变化。通过特定波长近红外光照亮被检测的神经组织， 利用感光芯片(电荷耦合器件，CCD)对光反射信号加以记录，就能发现这种光反射特性的变 化，从而判断其功能。由于脑组织不经开颅手术是无法暴露的，因此脑光学成像技术只能用 于动物实验，无法用于视网膜功能成像检测。
本发明的目的是提供一种全视网膜光学功能成像系统，要解决的技术难题如下31)、现有的脑光学成像技术无法直接移植应用于视网膜，因为脑光学成像所采用的检 测功能的照明光能够引起视网膜自身光反应。2)、由于视网膜面积小，要检测其微小的红外光信号变化，需要尽可能减少周围环 境干扰以及电子仪器本身(尤其是CCD)产热所产生的红外线的干扰。3)、现有的光学成像技术尚处于动物实验摸索阶段，技术不成熟，分辨率低、刺激 光形式单一、无法区分不同的光感受器功能。4)、现有的技术和理论基础无法实现全视网膜功能检测，仅能针对视网膜很小的 一部分区域进行，且扫描需要时间很长，效率低，图像分辨率很差。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种全视网膜光学功能成像系统，其特征在于包括刺激光源及光学元件部分、红外照 明光源及光学元件部分、双椭球光学元件部分和视网膜红外光图像信号处理部分，刺激光源及光学元件部分包括顺序排列的控制器、脉冲发生器、激光器、快门、激光能 量监测控制器、光路准直系统总成、刺激光反光镜、焦点反光镜；红外照明光源及光学元件部分包括顺序排列的计算机、红外光源、第一红外准直仪、红 外分光镜、红外反光镜和红外二向色镜一；双椭球光学元件部分包括两个具有共轭焦点的椭球反光镜，其中一个是长轴置于眼睛 视网膜前方的横向椭球反光镜，另一个是长轴与横向椭球反光镜的长轴垂直相交的纵向椭 球反光镜，所述纵向椭球反光镜的一个焦点与眼球的光学结点重合，共轭于F3点，所述纵 向椭球反光镜的另一个焦点与横向椭球反光镜的一个外焦点F2重合，F2点处置有用于反 射和透射红外照明光线的焦点红外二向色镜二，所述横向椭球反光镜的内焦点Fl置有用 于反射刺激光线、且能够旋转的焦点反光镜，所述横向椭球反光镜的外焦点F2和纵向椭球 反光镜的焦点F3的连线为转轴Z，整个光学成像系统的光学元件围绕转轴Z旋转；
视网膜红外光图像信号处理部分包括顺序设置在红外分光镜反面与计算机之间的第 二红外准直仪、红外光扫描仪和图像处理模块，所述红外光扫描仪的CXD摄像头经过椭球 反光镜的作用，相当于虚拟放置在眼球结点的F3处，所述计算机的一个控制端与红外光源 的控制端连接，另一个通讯端口与控制器的信号端连接。所述刺激光侧反光镜包括三个并列排列的刺激光侧第一组反光镜和倾斜排列的 刺激光侧第二反光镜。所述红外分光镜与红外反光镜之间加设光圈调节机构。所述激光器是能产生红、绿、蓝三种刺激光线的光源，对应的波长分别为566nm、 Mlnm和441nm，其光源三种刺激光线的光路中分别设有三个快门。所述三个快门的驱动机构与控制器的控制端信号连接。所述第二红外准直仪与红外光扫描仪之间加设附加反光镜。所述红外光源是能发射750nm 900nm波长的的红外激光器。所述红外光源由稳定直流电源供电。所述红外光扫描仪的CXD摄像头是制冷CXD摄像头。所述控制器是单片机、工控机或笔记本电脑。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
应用本发明作眼睛全视网膜光学成像检测是利用特定波长近红外光(750nm-900nm)照亮视网膜，通过比较视网膜光刺激前后所反射的近红外光信号的变化，来判断视网膜功能 的一种技术。其检测视网膜功能的原理来自于脑光学成像，是脑光学成像技术经改造后在 视网膜组织的移植。人眼视网膜是人体唯一可以通过散瞳而直接观察到的神经组织，因此， 将脑光学成像技术移植应用于视网膜，可以构建出一套全新的视网膜光学功能成像设备。与现有的实验室用于动物实验的视网膜光学成像技术不同，本发明在多方面进行 了全新的设计。具体如下
(1)既往的光学成像所采用的照明光均为弥散的红外光，本发明将这一技术改良，采用 红外激光光源实现照明和全视网膜功能的记录，以改善成像质量；(2)刺激光源采用红绿 蓝三种刺激光源，且均采用激光光源刺激；(3)刺激光源的波长对应于三种视锥细胞，这一 有效设计使得区分不同的光感受器成为可能，其中还包括一个用于实现30Hz光刺激的脉 冲发生器，用于敏感的视锥细胞功能检测；(4)采用一个激光能量监测控制器用于控制激 光能量，在微弱光源的刺激下可以判断视杆细胞的功能；(5)采用全新的双椭球反光镜光 路，将刺激光源、红外线照明光源以及红外光扫描仪统一起来。(6)双椭球反光镜设计能够 实现超大视野(150°-180°)全视网膜光学功能成像，而非局部的视网膜光学成像。为了实现全视网膜的刺激和红外反射信号记录，设计了一种全新的双椭球反光 镜，用于实现视网膜刺激和记录的同步进行。就视网膜的检测范围而言，区别于传统的眼底 照相技术，本发明可以实现超大视野(150°-180 全视网膜功能记录，而传统的眼底照相技 术仅能记录30。-70。范围的视网膜形态，且无法判断其功能。本发明的光学原理基于几何光学，单一的椭球体有两个共轭焦点，当光通过其中 一个焦点时，经过椭球体的反射，将通过另一个共轭焦点。其中，红外激光照明系统和红外 光信号扫描系统可以采用同一个椭球体同步同时实现红外激光信号的照明与采集。然而， 为了实现全视网膜光学功能成像，视网膜光刺激系统必须与照明-扫描系统分开，理由如 下1)为了实现稳定的红外光照明，需要采用稳定的直流电源用于对红外激光照明系统进 行供电，因为任何电压的波动都会造成红外激光照明系统光强度的改变，干扰来自视网膜 的微弱的红外光信号变化的记录；2)红外光和用于光刺激的可见光波长不同，其光路中所 需要的各类光学元件的光学特性与可见光不同，且红外光照明-采集系统对光路的要求更 为苛刻，需要单独设计。鉴于此，本发明设计了双椭球反光镜系统以同时实现刺激、照明以 及光信号的记录。本发明用控制器控制视网膜光刺激系统，通过一个脉冲发生器，可以控制激光器 产生不同频率脉冲的刺激光。激光器可以产生红(R)绿(G)蓝(B)三种不同类型波长的刺 激光，对应的波长分别为566nm，541nm, 441nm,即人眼三种视锥细胞最敏感的波长。RGB三 种刺激光通过各自的快门控制其发射，快门由控制器统一控制，可以分别开关。来自激光器 的刺激光经过一个激光能量监测控制器，再经过一个光路准直系统总成，经过多个反光镜 最终到达第一个椭球反光镜的第一个焦点F1。其中，激光能量监测控制器用于把刺激光控 制在人眼安全范围内。到达Fl焦点的刺激光，通过反光镜的旋转反射，把刺激光投射到椭 球反光镜的椭圆弧ABC上。根据前述原理，椭圆弧ABC反射的光线必然通过椭球反光镜的 第二个焦点F2。第二个椭球反光镜的第一个焦点与F2重合，经椭圆弧ABC反射的光线，投 射到椭球反光镜的椭圆弧AlBlCl上，根据同一原理，反射自椭圆弧AlBlCl的光线必然经过 椭球反光镜的第二个焦点F3。如果把眼球的结点放置在F3上，则经过反光镜的旋转，将刺激椭圆弧A2B2C2范围(90 °范围，半侧)的视网膜。其中，椭球反光镜和仅在ABC和AlBlCl 上有反光镜，虚线所示范围无反光镜。简而言之，双椭球反光镜设计将自Fl入射的刺激光 源经过二次虚拟，成为放置在眼内结点F3的刺激光源。此为视网膜光刺激系统。本系统中的计算机用于控制红外激光照明系统和红外光信号扫描系统，并使二者 同步，同时，因为需要记录光刺激时以及光刺激后的各个时间点的红外光信号变化，所以必 须在控制器和计算机之间建立通讯，使得计算机可以在控制器开始发送刺激信号后的某个 时间点(也可以是同时)开始红外光信号的发射与记录。在计算机的控制下，红外光源用于 照明，是一个可以发射红外激光(750nm-900nm)的红外激光发射器，红外激光经过一个光路 准直器，到达红外分光镜。红外分光镜的作用是使得照明用的红外激光和反射回来的红外 光信号扫描装置同轴，以便照明光路和扫描记录的光路同步。之后，红外激光经过一系列的 反光镜到达红外二向色镜，再经过反射到达红外二向色镜。这两个红外二向色镜的作用十 分关键，它们仅反射照明用波长的红外光，而不反射可见光，因而减少了信号干扰。红外光 经两个二向色镜反射后，投射到椭球反光镜的椭圆弧AlBlCl上，再次被反射后投射到椭圆 弧A2B2C2范围的视网膜。根据光路可逆原理，反射回来的红外光线原路返回，到达红外分 光镜后，继续前行经过光路准直器，通过第二个椭球反光镜，红外激光照明系统照射于焦点 F2，红外光扫描仪的CXD摄像头虚拟放置在代表眼睛视网膜结点附近的F3处，由红外光扫 描仪采集眼睛视网膜的图像光信号，通过图像处理模块，输入计算机中记录、储存和分析处 理。以上便是整个全视网膜光学成像系统的构成，需要再次强调的是，之所以设计为 双椭球反光镜结构，是因为必须将视网膜光刺激系统与照明-扫描系统分开。当整个光学 成像系统的光路部分围绕图1中的ζ轴旋转，便可完成180 °范围的全视网膜的光刺激以及 红外光的照明与红外光信号记录。由于反射的红外光信号的变化很弱，因此，仅完成一次旋转扫描是不够的，需要根 据实际需要进行多次旋转扫描。光刺激前，先扫描视网膜未经光刺激时的红外线眼底图像。 当光刺激开始时，红外激光照明系统和红外光信号扫描系统可以根据要检测的刺激后的时 间点开始工作，时间点以旋转周期为单位，可以在刺激的同时开始进行扫描，亦可以在整数 倍的旋转周期刺激后开始。经过若干周期的旋转扫描，所获得的红外线图像与未经光刺激 时的眼底红外线图像作比较，计算得出差异图像(Differential Image, DI)，即可判断视 网膜各个部位的功能。(2)功能成像光源的改进。既往已有的脑光学成像光源无法直接移植应用于视网膜，因为视网膜本身能够感 光，因此脑光学成像所用的照明光波长不能用于视网膜光学成像。实验室现有的用于实验 动物研究的视网膜光学成像采用弥散的红外光源，光信号弥散，照明所用的红外光波长不 够单纯，噪音较大。相比较而言，本系统采用红外激光光源，通过双椭球反光镜反光系统所 构建的光路能够实现全视网膜光学功能成像，所用的光源更纯、噪音小，较现有的技术更为 先进。此外，需要注意的是，红外激光照明系统必须使用稳定的直流电源。(3)区分不同光感受器功能的技术。眼科的某些病种表现为某一光感受器的缺乏或大量增多，而现有的技术无法区分 不同光感受器的功能。举例来说，视网膜色素变性是由于视网膜色素上皮的破坏导致的一种疾病，其典型的夜盲是由于视杆细胞发生变性导致；此外，增强型S椎体综合征，是由于 感蓝光的视锥细胞大量增多所致。为了区分不同的光感受器的功能，本系统设计了 RGB三 种刺激光源，对应于人眼的三种视锥细胞，分别用于检测RGB三条通路的视网膜功能。视锥细胞对30Hz的光刺激敏感，而视杆细胞主要负责弱光下的感光功能。本系统 设计了一个脉冲发生器，被计算机所控制，用于产生30Hz的光刺激，从而判断视锥细胞的 功能。此外，通过激光能量监测控制器可以检测弱光刺激下视杆细胞的功能。这些都是现 有的技术所无法达到的。(4)减少环境和电子仪器本身产生的干扰的方法。由于红外光反射信号的变化及其微弱，因此需要尽可能减少周围环境和电子仪器 本身的干扰。除了上述采用稳定直流电源用于对红外激光照明系统供电外，为了减少噪音， 在红外光扫描仪中还需要采用制冷CCD (目前市面上能够买到的代表产品为图森610万像 素冷(XD，型号TCC-6. 1ICE)。此CXD为610万像素，远高于现有的光学成像所采用的CXD 的分辨率。此外，对检查室的要求也很严格，要求暗室环境，检查时门窗不能透光，尽可能减 少室内不必要的发热源。本发明全视网膜光学功能成像系统由于采用了双椭球反光镜系统和激光光源， 扫描效率高，检测时间短；由于采用了红外激光光源以及制冷CCD，图像噪音低，分辨率高， 尽可能减少了环境和电子仪器本身产生的干扰；能够检测不同种类的光感受器的功能，区 分不同光感受器的功能；本发明应用于黄斑病变、眼睛视网膜功能下降、病变等眼科临床 180°全视网膜功能检测，可实现无创、客观检测，而非形态学检查。


下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是本发明全视网膜光学功能成像系统的结构示意图。图2是老年黄斑变性检测实施例中眼底黑白照相图像。图3是老年黄斑变性检测实施例中无光刺激时的红外线静息眼底图像。图4是老年黄斑变性检测实施例中有光刺激后经多个周期扫描后，与静息图像相 减得到的差异图像。附图标记1 一控制器、2 —脉冲发生器、3 —激光器、4 一快门、5 —激光能量监测 控制器、6 —光路准直系统总成、7 —横向椭球反光镜、8 —焦点反光镜、9 一纵向椭球反光 镜、10 —计算机、11 一红外光源、12 —第一红外准直仪、13 —红外分光镜、14 一红外二向色 镜一、15 —红外二向色镜二、16 —第二红外准直仪、17 —红外光扫描仪、18 —图像处理模 块、19 一刺激光侧第一组反光镜、20 —刺激光侧第二反光镜、21 —红外反光镜、22 —附加反 光镜、23 —光圈调节机构。

刺激光源及光学元件部分包括顺序排列的控制器1、脉冲发生器2、激光器3、快门4、激光能量监测控制器5、光路准直系统总成6、刺激光反光镜、焦点反光镜8 ；
红外照明光源及光学元件部分包括顺序排列的计算机10、红外光源11、第一红外准直 仪12、红外分光镜13、红外反光镜21和红外二向色镜一 14 ；
双椭球光学元件部分包括两个具有共轭焦点的椭球反光镜，其中一个是长轴置于眼睛 视网膜前方的横向椭球反光镜7，另一个是长轴与横向椭球反光镜7的长轴垂直相交的纵 向椭球反光镜9，所述纵向椭球反光镜9的一个焦点与眼球的光学结点重合，共轭于F3点， 所述纵向椭球反光镜9的另一个焦点与横向椭球反光镜7的一个外焦点F2重合，F2点处 置有用于反射和透射红外照明光线的焦点红外二向色镜二 15，所述横向椭球反光镜7的内 焦点Fl置有用于反射刺激光线、且能够旋转的焦点反光镜8，所述横向椭球反光镜7的外焦 点F2和纵向椭球反光镜9的焦点F3的连线为转轴Z，整个光学成像系统的光学元件围绕转 轴Z旋转；
视网膜红外光图像信号处理部分包括顺序设置在红外分光镜13反面与计算机10之间 的第二红外准直仪16、红外光扫描仪17和图像处理模块18，所述红外光扫描仪17的CXD 摄像头经过椭球反光镜的作用，相当于虚拟放置在眼球结点的F3处，所述计算机10的一个 控制端与红外光源11的控制端连接，另一个通讯端口与控制器1的信号端连接。所述刺激光侧反光镜包括三个并列排列的刺激光侧第一组反光镜19和倾斜排列 的刺激光侧第二反光镜20。所述红外分光镜13与红外反光镜21之间加设光圈调节机构23。所述激光器3是能产生红、绿、蓝三种刺激光线的光源，对应的波长分别为566nm、 Mlnm和44lnm，其光源三种刺激光线的光路中分别设有三个快门4。所述三个快门4的驱动机构与控制器1的控制端信号连接。所述第二红外准直仪16与红外光扫描仪17之间加设附加反光镜22。所述红外光源11是能发射750nm 900nm波长的的红外激光器。所述红外光源11由稳定直流电源供电。所述红外光扫描仪17的CXD摄像头是制冷CXD摄像头。所述控制器1是单片机、工控机或笔记本电脑。以眼科常见的老年黄斑变性为例，说明本发明全视网膜光学功能成像的过程和所 要取得的技术效果。老年黄斑变性是眼科常见疾病，主要累及黄斑中心凹，眼底表现为中心凹下纤维 血管膜增殖，出血渗出等，受累部位的光感受器被破坏，导致功能丧失。下面结合

如何进行全视网膜光学功能成像。本系统有一台控制视网膜光刺激系统的控制器1，所述控制器1可以是任何个人 电脑或笔记本电脑，可以发送触发指令给脉冲发生器2。脉冲发生器2必须能够产生从IHz 到IOOHz的脉冲，用于控制激光器3，从而产生不同频率脉冲的刺激光。当脉冲发生器2发出30Hz频率的脉冲时，则控制激光器3发出同样频率的脉冲刺 激，用于判断眼睛的视锥细胞功能。本例中为老年黄斑变性，主要影响黄斑中心凹，所以可 以采用30Hz光脉冲刺激。由激光器产生的红(R)绿(G)蓝(B)三种刺激光(对应的波长分 别为566歷，541nm, 441nm左右，即人眼三种视锥细胞最敏感的波长)通过各自的快门4控制 其发射。快门由控制器1统一控制，可以分别开关，在此例中全部开放。
来自激光器3的刺激光经过激光能量监测控制器5，再经过光路准直系统总成6， 经过刺激光侧第一组反光镜19、刺激光侧第二反光镜20最终到达第一个椭球反光镜7的第 一个焦点F1。到达Fl焦点的刺激光，通过焦点反光镜8的旋转反射，把刺激光投射到椭球 反光镜7的椭圆弧ABC上。之后根据前述的原理，将刺激椭圆弧A2B2C2范围(90°范围，半 侧)的视网膜。至此，一侧经线90°范围的视网膜刺激完成。随着Z轴的旋转，将完成全部 视网膜(180°范围)的光刺激。刺激前，控制器1通过通讯装置让计算机10在无刺激状态下开始先工作数个周 期，已取得视网膜在无光刺激时的红外线图像，并将数个周期的红外线图像信号平均，并以 此作为静息图像。刺激开始时，控制器1发指令给脉冲发生器开始光刺激，同时计算机10持续同步 工作，在计算机10的控制下，红外光源11发射红外激光(750nm-900nm)用于照明，经过一个 光路准直器12，到达红外分光镜13。红外分光镜13使得照明用的红外激光和反射回来的红 外光信号扫描装置同轴。之后，红外激光经过照明光侧的反光镜21到达红外二向色镜14， 之后到达红外二向色镜15。经两个二向色镜反射后，投射到椭球反光镜9的椭圆弧AlBlCl 上，再次被反射后投射到椭圆弧A2B2C2范围的视网膜。根据光路可逆原理，反射回来的红 外光线原路返回，到达红外分光镜13后，继续前行经过光路准直器16，进入红外光扫描仪 17，通过图像处理模块18，在计算机10中记录。当光学系统围绕Z轴旋转一周后，便完成了 一个扫描周期，如此反复进行多个周期的刺激与扫描后，记录每个周期的红外眼底图像，与 静息图像进行对比(相减)，得出差异图像。如果需要记录光刺激一段时间后的眼底红外图 像，则可以先进行几个周期的光刺激但不开启红外光信号照明与扫描，在几个周期的光刺 激以后再开启照明-扫描模块。参见图2 图4，正常区域的视网膜由于对光敏感，因此血流量增加，导致吸收 红外线增强，反射回扫描装置的红外线减少，因此在图像中为暗区。而老年黄斑变性区 域一一即黄斑中心凹病变区域的视网膜则形成亮区。需要注意的是，由于视盘没有光感受 器，因此，视盘在差异图像中也应为亮区。通过全视网膜光学功能成像系统，所得到的差异图像的总体判读原则是暗区为 有功能区域的视网膜，亮区为病变区域的视网膜，且明暗程度与视网膜功能相关。


一种全视网膜光学功能成像系统，包括刺激光源及光学元件部分、红外照明光源及光学元件部分、双椭球光学元件部分和视网膜红外光图像信号处理部分，双椭球光学元件部分包括一个横向椭球反光镜和一个纵向椭球反光镜，所述纵向椭球反光镜的一个焦点与眼球结点相交于F3点，所述纵向椭球反光镜的另一个焦点与横向椭球反光镜的一个外焦点F2重合，所述横向椭球反光镜的外焦点F2和纵向椭球反光镜的焦点F3的连线为转轴，整个光学成像系统的光学元件围绕转轴Z旋转。本发明扫描效率高，时间短，图像噪音低，分辨率高，能够检测、区分不同种类的光感受器的功能，减少环境和电子仪器本身产生的干扰。可在眼科临床中实现无创、客观的检测人眼全视网膜功能。