双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像技术研究

发布时间：2017-04-15 09:04

  本文关键词：双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于自适应光学的活体人眼视网膜高分辨率成像技术能够获得接近衍射极限分辨率的视网膜图像,这在眼科疾病特别是眼底疾病的发病机理研究、疾病早期诊断、不同治疗手段和药物疗效评价以及视觉科学研究等方面具有重要应用价值。然而,由于人眼像差具有随人群起伏很大、低阶与高阶并存的特点以及受到目前波前校正器研制技术的限制,自适应光学视网膜高分辨率成像技术在临床应用上面临着巨大挑战:成像系统像差校正能力有限、临床成像成功率低、人群适用范围较窄。如何有效校正随人群起伏很大的人眼像差,提高视网膜高分辨率成像技术的人群适用范围是该技术最终迈向临床应用所面临的最大难题。本论文正是在这样的背景下,开展了双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像技术研究及系统研制工作。论文以实际人眼像差统计特性为基础,分析人眼像差对自适应光学系统的性能需求并提出双变形镜人眼像差校正方案,设计研制了基于双变形镜的人眼视网膜高分辨率显微成像系统并在该系统上完成了活体人眼视网膜高分辨率显微成像实验。具体的工作如下:1、对中国人眼像差特性进行统计分析并建立像差统计模型。在对人眼生理结构及人眼像差的产生、描述方法以及其固有特性调研后,临床采集了676例中国人眼像差数据,对其空间特性进行统计分析,并在此基础上建立了符合人眼像差统计规律的多元高斯人眼像差统计模型,为后续系统设计和研制提供依据。2、对人眼像差校正需求进行分析并确立人眼像差校正方案。基于人眼像差特性统计结果,提出人眼像差对自适应光学系统核心器件变形镜的性能需求,即变形镜行程应大于20μm,空间分辨率至少应该满足对前8阶44项Zernike像差具有良好的拟合能力;在对目前常用于人眼像差校正的几类波前校正器特性进行分析后,确立了双变形镜人眼像差校正方案,并确定采用35单元Bimorph变形镜校正大幅值人眼低阶像差;针对以往变形镜高阶像差校正能力不足这一问题,基于人眼像差特性统计结果设计并定制了145单元3毫米极间距变形镜,该变形镜具有较高的空间分辨率,适合用于人眼高阶像差校正。3、研制双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像原型系统并开展活体人眼视网膜高分辨显微成像实验研究。基于双变形镜自适应光学视网膜显微成像系统原理,首先对系统双变形镜驱动器与哈特曼子孔径之间的布局匹配进行优化设计,并确定哈特曼传感器参数,从而使系统在获得良好像差校正效果的同时具有较高的稳定性;随后对系统软件设计进行了详细研究,采用改进的控制信号重置算法实现了对双变形镜的并行稳定控制,并编写全套成像系统控制软件使系统各部分协调工作从而完成对视网膜的动态连续成像任务;在此基础上,实际搭建了双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像原型系统,整套系统分辨率达到1.1倍衍射极限,对应眼底视网膜分辨率约为2.0μm,大行程35单元Bimorph变形镜的使用使得系统具有较大的低价像差校正范围,能够对±4.5D以内的离焦、±3.0D以内的散光进行有效校正,高分辨率145单元PZT变形镜的使用使系统具有较高的像差校正精度,能够对前8阶44项Zernike像差进行有效校正;最后开展了视网膜高分辨率成像实验,获取了活体人眼视网膜视细胞层、毛细血管层的精细结构图像,进一步对系统像差校正范围及校正精度进行了验证。
【关键词】：自适应光学技术 人眼像差 双变形镜 视网膜高分辨率成像
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R77;O439
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 视网膜高分辨率成像技术的研究背景及意义13-14
• 1.2 自适应光学视网膜高分辨率成像技术国内外研究现状14-22
• 1.2.1 自适应光学技术15-16
• 1.2.2 基于自适应光学的视网膜高分辨率成像技术研究现状16-22
• 1.3 自适应光学视网膜高分辨率成像所面临的挑战22-30
• 1.3.1 人眼像差特性23-24
• 1.3.2 人眼像差校正器24-26
• 1.3.3 人眼像差校正方案26-30
• 1.3.4 小结30
• 1.4 本论文主要研究内容30-33
• 第2章 人眼像差特性统计分析33-57
• 2.1 引言33
• 2.2 人眼像差概述33-39
• 2.2.1 人眼像差定义33-35
• 2.2.2 人眼像差描述35-37
• 2.2.3 人眼像差特性37-39
• 2.3 人眼像差空间特性统计分析39-49
• 2.3.1 人眼像差数据采集39-42
• 2.3.2 人眼像差数据处理42-43
• 2.3.3 人眼像差数据统计分析43-49
• 2.4 人眼像差统计模型49-55
• 2.5 本章小结55-57
• 第3章 人眼视网膜高分辨率成像像差校正需求及解决方案57-73
• 3.1 人眼像差校正对变形镜的性能需求分析57-60
• 3.1.1 人眼像差校正对变形镜的行程需求57-58
• 3.1.2 人眼像差校正对变形镜空间分辨率的需求58-60
• 3.2 双变形镜人眼像差校正方案60-62
• 3.3 已有变形镜性能分析62-66
• 3.3.1 37单元PZT变形镜62-65
• 3.3.2 35单元Bimorph变形镜65-66
• 3.4 3毫米极间距变形镜66-71
• 3.4.1 3毫米极间距压电驱动器67
• 3.4.2 3毫米极间距变形镜驱动器单元数需求分析67-69
• 3.4.3 145单元3毫米极间距变形镜性能分析69-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第4章 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统研制73-99
• 4.1 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统原理73-77
• 4.1.1 自适应光学子系统74-75
• 4.1.2 成像子系统75-77
• 4.2 双变形镜驱动器与哈特曼传感器子孔径布局优化设计77-83
• 4.2.1 哈特曼-夏克（Hartman -Shack，，HS）波前传感器77-79
• 4.2.2 变形镜驱动器与哈特曼传感器子孔径布局优化设计79-83
• 4.3 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统光学设计83-87
• 4.3.1 设计要求及设计原则83-84
• 4.3.2 设计结果84-87
• 4.4 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统软件设计87-97
• 4.4.1 双变形镜解耦控制技术87-93
• 4.4.2 系统控制93-97
• 4.5 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像实验系统搭建97-98
• 4.6 本章小结98-99
• 第5章 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像实验研究99-119
• 5.1 双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统标定99-103
• 5.1.1 系统分辨率标定99-101
• 5.1.2 系统低阶像差校正能力测试101-102
• 5.1.3 模拟眼成像实验102-103
• 5.2 活体人眼视网膜高分辨率显微成像实验103-116
• 5.2.1 人眼安全104-107
• 5.2.2 活体人眼视网膜高分辨率显微成像107-114
• 5.2.3 人眼像差校正阶数对视网膜成像的影响114-116
• 5.3 本章小结116-119
• 第6章 总结与展望119-123
• 6.1 论文工作总结119-120
• 6.2 论文主要创新点120
• 6.3 论文研究的不足及后续工作展望120-123
• 参考文献123-131
• 个人简历及攻读博士学位期间取得的研究成果13

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