眼科光学相干断层扫描仪的横向分辨率检测探讨
刘艳珍，孟祥峰，王浩，任海萍
中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050
[摘 要]目前对于眼科光学相干断层扫描仪（OCT）的横向分辨率存在几种评价方法，其中光学透镜检测法更具有科学性。本研究实现了使用光学透镜检测OCT横向分辨率，介绍了它的理论依据和设计方法，并通过了验证实验。结果表明光学透镜检测法基本符合眼科OCT的测试需求，同时需要在光学设计等方面进行优化。
[关键词]眼底分辨率；光学相干断层扫描仪；光学透镜法；视网膜像差
0 引言
视网膜是人体中唯一可在活体、无创条件下观察血管及其分布状态的组织，这使其成为目前诊断眼病和相关的全身系统性疾病的重要窗口[1-2]。在眼科疾病中，与年龄相关的黄斑变性对视力的损害具有不可逆性，是老年人致盲的最主要原因[3]；对于全身系统性疾病，尤其是血液相关疾病，眼底组织都会产生变化，如高血压、糖尿病、肾病等[4-5]。眼科光学相干断层扫描仪（Optical Coherence Tomography，OCT）是目前主要的眼底检查仪器之一，由于其具有更高的眼底分辨力，所以常在眼科的高端检查中使用。横向分辨率是眼科OCT的重要质控指标之一，但是目前还没有公认的标准检测方法。
1 眼科OCT的横向分辨率评价方法
1.1 理论计算法
对同一光源，眼科OCT设备的横向分辨率主要取决于设备前端透镜的聚焦光斑大小，光斑越小，横向分辨率就越高。聚焦光斑大小与横向分辨率数值的具体关系如式（1）所示：
其中f为透镜焦距，d为通光孔径，λ为扫描光谱的中心波长。
当运用理论计算法来测量分辨率的时候，需要测量设备的扫描光源特性、透镜焦距和透镜通光孔径。眼科OCT设备在仪器终端的光强比较弱，所以测量时需要测量仪器内部未衰减时的光强。在测量透镜焦距和通光孔径的时候，也需要拆开仪器，将仪器内部的透镜单独取出进行相关测量。由于在眼科OCT设备中透镜的位置要求精度比较高，因此将透镜装回仪器时要进行位置的校验。
理论计算方法的优点是被测量为基础参量、对测量设备的要求低和原理清晰；但缺点也很明显，主要有以下几点：① 理论计算方法是有损测量，对于成品的测量需要拆开仪器，测量成本较高；② 理论计算过程中多参数测量误差的引入将会降低最终值的准确性；③ 实际人眼的像差、有效通光孔径和色散等均影响分辨率的值，因此理论计算值和设备的实际分辨率值相差较大。
1.2 图像处理法
图像处理方法是对眼科OCT设备生成的图片，运用图像处理的方法，通过分析计算获得设备的横向分辨率。首先，用眼科OCT设备对耙物进行扫描和拍摄，利用仪器的图片导出功能将拍摄的图片进行导出；然后，利用第三方的图像处理软件读出图片的像素值，该值即为眼科OCT设备的分辨率值，或者利用OCT设备获得物点的原始图像数据，分析并拟合之后，计算点扩散函数，进而评价OCT设备的分辨力[6]。
图像处理方法是一种间接测量方法，而且此方法依赖过多复杂的后期分析，使用起来不简单直接，因此这种方法在目前的测量中很少被使用。
1.3 光学透镜检测法
光学透镜检测法是一种用光学元器件模拟人眼屈光功能和眼底反射，利用眼科OCT设备对光学元器件进行扫描和拍摄的方法，因为光学元器件中是有定量的分辨率靶物，根据OCT设备能够看清的靶物值来确定分辨率。
这种方法的关键技术和难点在于该光学元器件的光路设计，光学透镜装置的研究是一项繁杂而且较新的研究方向。人眼是一台精密而复杂的光学仪器，眼球具备极其复杂的组织结构，其屈光介质并不是完善的成像光学系统，存在着各种各样的像差[7-8]。在对眼球的研究分析中，一般将人眼进行一定程度的简化，构建简化模型。
本文采用透镜和靶物模拟简化的人眼,见图1。图1中透镜的屈光度为60 D左右（正常人眼常规屈光度约为60 D），靶物为反射类型，上面进行各种规格的分辨率设计。蓝色箭头代表进入人眼的扫描光，黑色箭头代表从靶物反射的光线。
光学透镜测量方法的优点是测量方法直接和测量装置可溯源。
图1 检测光路设计
2 横向分辨力测试光路搭建
2.1 屈光透镜
检测光路的屈光部分采用双凸型透镜，其屈光度为60 D，要实现相同的放大效果和最宽的视场，能够越过光学漩涡，保证成像质量。该屈光透镜采用非球面设计，同时在透镜表面进行涂层，最大限度减少失真和反射。同时在加工的过程中选用高质量玻璃，保证成像的分辨率。屈光透镜透过小瞳孔时也可以达到同样的效果。
屈光透镜的光学设计用如下几个参数来描述：
（1）屈光透镜的焦距。根据人眼的参数，屈光度在60 D左右均可，并且OCT设备本身还有屈光校正功能，所以检测光路本身对于屈光度数值的准确性要求不是特别高。本文屈光透镜焦距为60 D，即焦距为16.7 mm。
（2）屈光透镜的分辨率。它是考量透镜成像质量的重要因素，透镜的分辨率要足够好，不能低于OCT设备的横向分辨率。本文透镜的分辨率是100 lp/mm，即最小分辨距离是5 μm。
（3）屈光透镜的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）是目前分析镜头解像的比较科学的方法。与分辨率板法相比，MTF成像曲线图是透镜在极为客观严谨的测试环境下测得并对外公布的，是镜头成像品质最权威、最客观的技术参考依据。屈光透镜的MTF曲线，见图2。
2.2 横向分辨率板
横向分辨率板采用了A型的图案形式，由线宽递减的两组线条组合单元，菱形图案以及两对短线标记组成，见图3。
图2 透镜MTF曲线
图3 分辨率板线型
分辨率板的每一线条组合单元由相邻互成45°、宽等长的4组明暗相间的平行线条组成，线条间隔宽度等于线条宽度，分辨率板相邻两单元的线条宽度的公比为
（近似0.94）。分辨率板和保护玻璃采用无色光学玻璃制造，其外形为圆片形。分辨率板各单元明（或暗）线条宽度偏差为±5%，暗线条不得有亮点，明线条上不得有暗点、脏点、麻点等，线条不得有断线。
3 实验分析
本文对3个厂家的3台眼科OCT设备分别使用光学透镜法进行了测量，测量结果，见表1。
表1 眼底分辨率测试结果
由表1数据可以看出横向分辨率的检测数值，厂家声称值要优于我们设计的光学透镜检测装置。造成这种差异的原因可能有两个方面：① 衰减片的差异，因为衰减片能够有效的减小“眩光”现象，目前在设计中没有考虑减小“眩光”的措施，这也是启示下一步改进和优化检测装置的方向；② 是分辨率线对方向的差异，厂家的测试一般是采用单一竖直方向的分辨率线对，这种情况下线对方向与扫描方向垂直，分辨率最高。而本实验分辨率板是采用相互垂直的4方向线对方向，这样更能考量OCT设备对于不同方向的分辨能力，体现的是设备的最差分辨率值。
综上所述，对于不同厂家的仪器，本文的光学透镜检测光路可以清晰成像，但是横向分辨率检测结果与与厂家声称数值存在差异性。但是由于本检测光路的各部分可拆卸，且均为自行设计，所以参数具有可溯源性，这是本检测装置的优势之一。
4 结论与展望
眼底检查具有重要的医学意义，并且已经在临床上广泛使用。通过实验和分析可知本文的眼科OCT光学透镜检测检测光路的设计只是取得了初步的成功，需要进一步改进，以便更客观和科学地分析眼科OCT设备的技术参数。具体主要有以下三个方向：
（1）眼科OCT设备的研究对象主要针对视网膜等眼底组织，但其反射信号光必须首先要经过眼睛自身的屈光系统。标准检测装置的设计可以以人眼生理结构的实测参数为基础构建一种光学结构模型，用以模拟人眼成像系统，进行眼科OCT设备的横向分辨率测试，并且具有一定的普适性。另外，在研究过程中忽略了很多非重点的复杂部分，应当考虑这些因素对眼底成像的影响，进而对现有检测光路进行改进。
（2）眼底组织的光谱特性也是需要考虑的因素。比如，眼底组织对550 nm的黄绿光仅有1.2%～2%的反射率，对750 nm的近红外光有10%的反射率，入射光波长越长，眼底组织的反射率越高。因此在进行检测光路设计的时候需要进行考虑。
（3）考虑精密机械装置的设计，使得检测光路能够更好地与眼科OCT设备配用。
[参考文献]
[1]张承芬,董方田,陈有信,等.眼底病学[M].第二版.北京:人民卫生出版社,2010:15-35.
[2]王育才,陈凯.眼视光学[M].第一版.北京:人民军医出版社,2008:2-6.
[3]Holz FG,Pauleikhoff D,Spaide RF,Bird AC.Age-related macular degeneration[M].Berlin:Springer-Verlag,2004:10.
[4]田文真,李红梅.糖尿病眼底病变相关因素分析[J].Opt Soc Am A,1998,15(9):2446.
[5]刘青,艾明.光学相干断层扫墓血管成像技术在糖尿病视网膜病变中的应用[J].国际眼科杂志,2016,16(4):678-680.
[6]胡志熊,郝冰涛,孙欣,等.眼科光学相干断层（OCT）成像设备等计量研究[J].中国计量,2016,(7):80-82.
[7]He JC,Burns SA,Marcos S.Monochromatic Aberrations in the Accommodated Human eye[J].Vision Res,2000,40(1):41-48.
[8]Atchison DA,Smith G.Chromatic dispersions of the ocular media of the human eyes[J].Opt Soc Am,2005,22(1):29-37.
Discussion on Detection of Lateral Resolution of Ophthalmic Optical Coherence Tomography Scanner
Abstract：At present,there are several different methods for evaluation of lateral resolution of ophthalmic OCT (Optical Coherence Tomography),in which the optical lens detection method is the most scientifc. This paper focuses on application of the optical lens detection method to realize the detection of lateral resolution of ophthalmic OCT,introduces the theoretical basis and design,and completes the verifcation experiments. The experimental results show that the method meets the test needs of ophthalmic OCT. Meanwhile,this method needs to be optimized from various aspects,such as its optical design.
Key words：fundus resolution;optical coherence tomography;optical lens detection method;retinal aberrations
LIU Yan-zhen,MENG Xiang-feng,WANG Hao,REN Hai-ping
Division of Active Medical Devices and Medical Optics,National Institutes for Food and Drug Control,Beijing 100050,China
[中图分类号]TH786
[文献标志码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.010
[文章编号]1674-1633(2016)09-0043-03
收稿日期：2016-08-11
修回日期：2016-08-25
基金项目：国家科技支撑计划课题（2015BAI03B00）。
通讯作者：任海萍，中国食品药品检定研究院光机电室主任，主任技师。主要研究方向：医疗器械质量控制，生物医学工程。