视网膜微血管液晶自适应光学成像的研究

发布时间：2020-07-18 20:20

【摘要】：视网膜血管最细小直径约4~6μm。很多人体疾病(如糖尿病、高血压等)会引起血液成分发生变化,从而导致视网膜微血管形态变化。因此,通过对视网膜微血管的成像观察可以为疾病的早期诊断和健康筛查提供极具价值的信息。自适应光学技术能实时校正人眼像差,在瞳孔直径6mm条件下分辨率可达3μm。自适应光学系统中常用的波前校正器是变形镜,近年来,液晶波前校正器以其高分辨率、校正量大、体积小等优势被应用在视网膜自适应成像中。目前对视网膜微血管,尤其是对6μm左右的微血管成像质量不好,不能满足临床诊断的要求。视网膜是一个具有多层膜结构的组织,血管在视网膜内的空间分布及其成像机制不同于视觉细胞。在对视网膜微血管成像时面临一些问题,主要表现在微血管照明光焦面和成像焦面定位困难和微血管成像对比度低。为实现对视网膜微细血管的高对比度成像,本论文结合人眼光学特性,针对微血管焦面定位和提高微血管成像对比度进行了研究。根据人眼的生理特性,利用位于眼前1m位置的视标引导人眼屈光度的精确变化,消除了人眼的视调节误差;利用位于眼前1m位置的视标并配合夏克-哈特曼波前探测器的使用,将离焦像差PV值控制在0.1μm以内,实现了微血管照明光焦面的精确定位;提出了计算液晶自适应成像系统轴向放大率的方法,针对具有不同眼轴长度的个体,能快速有效的计算出系统的放大率,从而,根据微血管的空间分布特点,以视觉细胞层为参考基准,可快速的将成像相机移动到微血管成像焦面附近,实现了对微血管成像焦面的快速精确定位;另外,设计了1D视标的远心光路结构,实现对眼底横向位置的精确定位。通过上述研究,为视网膜微血管的高分辨率成像奠定了基础。分析了人眼等晕角与波长的关系,利用561nm光作为微血管成像光源时,确定了微血管的成像视场为0.8°;设计了轴锥透镜,利用轴锥透镜组实现了对角膜的环形照明,解决了利用环形光阑实现环形照明时能量损失的问题,并实现了瞳孔处环形照明光大小的连续可调,使其可适用于具有不同瞳孔大小的人眼;模拟了瞳孔横向偏移对波前探测的影响,当瞳孔横向偏移量小于0.1mm时,哈特曼上的光斑横向偏移量小于1/6子孔径大小,波前重构后的残差小于λ/14对波前探测的影响可忽略;结合血管焦面定位方法,设计了具有焦面定位功能的视网膜微血管液晶自适应成像系统,确定了808nm光进行血管焦面及横向位置精确定位,561nm光进行高对比度成像的微血管成像方案,解决了血管焦面定位难的问题;利用搭建的实验系统进行了微血管成像实验,获得了视网膜微血管图像。在实现了对微血管精确定位成像的基础上,为进一步提高视网膜微血管的成像质量,分析了影响视网膜微血管成像对比度的因素。定量分析了眼内杂散光对视网膜成像质量的影响,验证了利用偏振光和1D视标,并配合共焦小孔的使用,可在一定程度上减弱眼内杂散光的影响;对微血管进行消偏成像,消除了血管壁反射光的影响,增大了其与背景之间的灰度差别,使图像对比度由原来的0.11提升到0.25,提高了约1.3倍。通过上述内容的研究,解决了视网膜微血管焦面定位难的问题,并设计了具有焦面定位功能的视网膜微血管液晶自适应光学成像系统,实现了对视网膜微血管的高分辨率成像。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O753.2;R770.4
【图文】：

眼球结构,视网膜

其内侧为玻璃体，外层为脉络膜。视网膜是度约 250~500μm。但视网膜是一个极其复杂又精细的多层视网膜由外到内分为 10 层：色素上皮层（Pigment Epithelium锥细胞层（Rod and Cone）、外界膜（Outer Limiting Membrater Nuclear Layer，ONL）、外丛壮层（Outer Plexiform Layer，er Nuclear Layer，INL）、内丛壮层（Inner Plexiform Layer（Ganglion Cell Layer，GCL）、神经纤维层（Nervr Fobe膜（Inner Limiting Membrane，ILM）。视网膜是人眼的感信号，又对光刺激进行处理。含房水、晶状体和玻璃体。房水起到维持眼压和营养角膜主要的屈光介质之一，具有调节人眼屈光度的作用；玻璃其由 98%的水与 2%的胶原和透明质酸构成，玻璃体具有性三个物理特点，主要是对晶状体和视网膜等周围组织起

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图 1.2 视网膜多层结构示意图视网膜的成像观察，主要集中在对视觉细胞、神皮细胞的观察。对视觉细胞的成像是目前国内外，因其对近红外光有较强的反射，因此易于观察视觉细胞的。对视觉细胞成像主要是依靠其对光成像原理如图 1.3 所示。照明光透过神经纤维层射光包含视觉细胞层反射光、神经纤维层反射光位置处所示）。其中，反射光经过血管时，会被.3 中 B 位置处所示），从而造成经过血管处的光孔。当成像相机对准血管焦面时，其余层的反射的背底，而通过血管处的光由于被吸收而在相血管成像时，是在明亮的背底上形成血管暗影。射光，因此，在相机中观察血管时，其表面会有一的研究中已被证实[7]。

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图 1.3 血管成像原理示意图视网膜上的病态表征病以及全身性疾病都会在视网膜上有所表现，尤其是网膜色素变性、视网膜脱落、视网膜母细胞瘤、年龄膜病变、高血压视网膜病变等疾病均在眼底视网膜人体唯一可在活体进行无创观察的血管。因此，对眼有重要的医学意义。膜病变是糖尿病常见的眼底微血管并发症之一[4]，其占第一位。目前，我国糖尿病的发病率持续增高，因也呈上升趋势。据世界卫生组织统计，到 2030 年，千万。目前，中国的糖尿病发病率为 1%，但约 68尿病主要损害视网膜微细血管，其在临床上的主要视网膜出血和有棉絮斑等[1]。如图 1.4(a)(c)所示，(a

【共引文献】