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1、(10)授权公告号 CN 102028477 B (45)授权公告日 2012.08.08 CN 102028477 B *CN102028477B* (21)申请号 201010617782.5 (22)申请日 2010.12.22 A61B 5/1455(2006.01) (73)专利权人 中国科学院光电技术研究所 地址 610209 四川省成都市双流 350 信箱 (72)发明人 史国华 李昊 卢婧 张雨东 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 卢纪 US 2007/0291229 A1,2007.12.20, 全文 . CN 101862178 A。
2、,2010.10.20, 全文 . US 5308919 A,1994.05.03, 全文 . (54) 发明名称 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的装置及方 法 (57) 摘要 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的方法和 装置， 其特征在于 ： 以基于自适应光学的激光 共焦扫描检眼镜 (adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope， AOSLO) 为 平 台， 选择至少两个不同波长的光作为 AOSLO 的光 源， 利用自适应光学校正眼底像差后， 对视网膜依 次成像。 利用变形镜产生离焦， 实现视网膜的纵向 层析， 以便对视网膜血管层同一位。
3、置成像。 对得到 的多个波长的高分辨率视网膜图像进行配准， 并 沿血管提取血管内多个最暗点和离最暗点固定距 离的组织中的点。 处理数据， 得到此血管的血氧饱 和度。 本发明利用自适应光学校正眼底像差， 能得 到视网膜高分辨率图像 ； 通过处理多波长图像， 能测量眼底视网膜动静脉和毛细血管的血氧饱和 度。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 彭韵 权利要求书 3 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 3 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/3 页 2 1. 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的装置， 其特征在于包括 ： 一。
4、个能产生至少两个不同波长光的装置 (32)， 其中至少一个波长的光应是对血氧饱和 度敏感的光 ； 基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜(adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope， AOSLO) 的光学系统和控制系统 (33) ； 探测光的装置 (34) ； 数据采集装置 (35) ； 数据处理装置 (36)， 即用以确定血氧饱和度的装置 ； 由一个能产生至少两个不同波长光的装置 (32) 产生多个特定波长的光， 将产生的光 依次作为基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和控制系统 (33) 的光源， 并 观察活体人眼视网膜。
5、 ； 视网膜反射回来的光， 由探测光的装置 (34) 探测， 然后将其探测的 光信号由数据采集装置 (35) 采集 ； 基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和 控制系统 (33) 利用自适应光学校正眼底像差， 对活体视网膜高分辨率成像， 同时利用变形 镜产生离焦， 实现视网膜的纵向层析， 使不同波长的光能对视网膜同一位置成像 ； 不同波长 的光对视网膜同一位置的血管成像， 由数据处理装置 (36) 配准不同波长的图像后， 计算该 血管的血氧饱和度 ； 所述基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和控制系统 (33) 包括三个分 光镜， 即第一分光镜(7)、 第二分光镜(8)和第三分。
6、光镜(24)， 八个球面反射镜， 即第一球面 反射镜 (9)、 第二球面反射镜 (10)、 第三球面反射镜 (12)、 第四球面反射镜 (13)、 第五球面 反射镜(15)、 第六球面反射镜(16)、 第七球面反射镜(18)、 第八球面反射镜(20)， 两个平面 反射镜， 即第一平面反射镜 (19) 和第二平面反射镜 (21)， 变形镜 (11)， X 方向扫描镜 (14)， Y 方向扫描镜 (17)， 验光透镜 (22)， 哈特曼传感器 (25)， 聚焦透镜 (26)， 针孔 (27) 和电脑 (31) ； 能产生至少两个不同波长光的装置(32)产生的光首先通过第一分光镜(7)和第二分 光镜。
7、(8)， 然后依次被第一球面反射镜(9)、 第二球面反射镜(10)、 变形镜(11)、 第三球面反 射镜 (12)、 第四球面反射镜 (13)、 X 方向扫描镜 (14)、 第五球面反射镜 (15)、 第六球面反射 镜 (16)、 Y 方向扫描镜 (17)、 第七球面反射镜 (18)、 第一平面反射镜 (19)、 第八球面反射镜 (20)、 第二平面反射镜 (21) 反射， 最后通过验光透镜 (22) 后， 在活体人眼视网膜 (23) 汇聚 于一点 ； 光路中通过 X 方向扫描镜 (14) 和 Y 方向扫描镜 (17) 完成对活体人眼视网膜 (23) 某个区域的扫描 ； 活体人眼视网膜 (23。
8、) 反射回来的光按原光路返回， 通过第二分光镜 (8) 后， 被第三分光镜 (24) 分成两路， 一路光被哈特曼传感器 (25) 探测， 该信号经过电脑 (31) 处理后控制变形镜 (5) 校正眼底像差， 另外一路光通过聚焦透镜 (26) 和针孔 (27) 后被探 测光的装置 (34) 探测。 2. 根据权利要求 1 所述的测量眼底视网膜血氧饱和度的装置， 其特征在于 ： 所述一个 能产生至少两个不同波长光的装置 (32) 由两个 SLD 光源 (1、 2)， 两个准直透镜 (3、 4) 和两 个滤光片 (5、 6) 组成 ； 两个 SLD 光源 (1、 2) 的中心波长分别为 680nm 和。
9、 796nm， 分别经过两 个准直透镜 (3、 4) 准直后， 分别利用两个滤光片 (5、 6) 滤出中心波长为 680nm、 796nm 带宽 为 7nm 的两个波长的光， 其中 796nm 的光是对血氧饱和度不敏感的光， 680nm 的光是对血氧 饱和度敏感的光。 3. 根据权利要求 1 所述的测量眼底视网膜血氧饱和度的装置， 其特征在于 ： 所述数据 权 利 要 求 书 CN 102028477 B 2 2/3 页 3 处理装置(36)的实现过程为 ： 首先采用基于互信息的方法对采集到的680nm和796nm的图 像进行配准 ； 对采集到的 680nm 和 796nm 的视网膜图像完成配。
10、准后， 在 680nm 的图像中沿 血管方向寻找多个最暗点， 并找到离每个最暗点固定距离的组织中的点 ； 假设某个最暗点 亮度为I， 离此最暗点固定距离的组织中的点的亮度为I0， 则在相同的位置分别计算680nm、 796nm 两幅图像的 I0和 I 之比的对数计算 680nm、 796nm 两幅图像的 OD 之比 ODR OD680/OD796， 其中 OD680为 680nm 图像的 I0和 I 之比的对数， 其中 OD796为 796nm 图像 的 I0和 I 之比的对数， 选取多个最暗点计算 ODR 然后取平均， 以提高 ODR 的测量精度 ； ODR 与血氧饱和度成线性关系， 通过 。
11、ODR 就可以得到血管内该位置的血氧饱和度。 4. 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的方法， 其特征在于实现步骤如下 ： (1) 利用能产生至少两个不同波长光的装置， 依次产生至少两个特定波长的光， 这些特 定波长的光至少包括一个氧化还原蛋白和还原血红蛋白的消光系数差别较大的波长的光 即一种对血氧饱和度敏感的光 ； (2) 将能产生至少两个不同波长光的装置产生的多个波长的光依次作为基于自适应光 学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和控制系统的光源， 并用权利要求 1 所述的装置观察 眼底视网膜 ； (3) 基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和控制系统利用自适应光学产 生离焦， 使不同波长的光。
12、对视网膜血管层中的同一层成像 ； (4) 利用光探测装置探测视网膜的反射光， 并由数据采集装置采集， 然后输入数据处理 装置 ； (5) 数据处理装置对采集到的不同波长的图像进行配准， 以便提取视网膜相同位置的 多波长信息 ； (6) 数据处理装置在上述不同波长图像中的任意一幅图像中， 沿血管寻找多个血管内 最暗点和离最暗点固定距离的组织中的点， 提取这些点的灰度信息， 计算该血管的血氧饱 和度 ； 所述基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜的光学系统和控制系统 (33) 包括三个分 光镜， 即第一分光镜(7)、 第二分光镜(8)和第三分光镜(24)， 八个球面反射镜， 即第一球面 反射镜 (9)。
13、、 第二球面反射镜 (10)、 第三球面反射镜 (12)、 第四球面反射镜 (13)、 第五球面 反射镜(15)、 第六球面反射镜(16)、 第七球面反射镜(18)、 第八球面反射镜(20)， 两个平面 反射镜， 即第一平面反射镜 (19) 和第二平面反射镜 (21)， 变形镜 (11)， X 方向扫描镜 (14)， Y 方向扫描镜 (17)， 验光透镜 (22)， 哈特曼传感器 (25)， 聚焦透镜 (26)， 针孔 (27) 和电脑 (31) ； 能产生至少两个不同波长光的装置(32)产生的光首先通过第一分光镜(7)和第二分 光镜(8)， 然后依次被第一球面反射镜(9)、 第二球面反射镜(。
14、10)、 变形镜(11)、 第三球面反 射镜 (12)、 第四球面反射镜 (13)、 X 方向扫描镜 (14)、 第五球面反射镜 (15)、 第六球面反射 镜 (16)、 Y 方向扫描镜 (17)、 第七球面反射镜 (18)、 第一平面反射镜 (19)、 第八球面反射镜 (20)、 第二平面反射镜 (21) 反射， 最后通过验光透镜 (22) 后， 在活体人眼视网膜 (23) 汇聚 于一点 ； 光路中通过 X 方向扫描镜 (14) 和 Y 方向扫描镜 (17) 完成对活体人眼视网膜 (23) 某个区域的扫描 ； 活体人眼视网膜 (23) 反射回来的光按原光路返回， 通过第二分光镜 (8) 后，。
15、 被第三分光镜 (24) 分成两路， 一路光被哈特曼传感器 (25) 探测， 该信号经过电脑 (31) 权 利 要 求 书 CN 102028477 B 3 3/3 页 4 处理后控制变形镜 (5) 校正眼底像差， 另外一路光通过聚焦透镜 (26) 和针孔 (27) 后被探 测光的装置 (34) 探测。 权 利 要 求 书 CN 102028477 B 4 1/4 页 5 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种测量血氧饱和度的装置及方法， 特别是一种对视网膜动静脉和毛 细血管血氧饱和度进行测量的装置及方法。 背景技术 0002 激光共焦扫描显微镜(conf。
16、ocal scanning laser ophthalmoscope， CSLO)用激光 作为光源， 激光光束经照明针孔形成点光源， 对样本内焦平面上的每一点扫描。 标本上的被 照射点， 在探测针孔处成像。 照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的， 焦平面外的 点不会在探测针孔处成像， 这样就得到了样本光学横断面的共焦图像， 它大大提高了系统 的分辨率。 0003 自适应光学 (Adaptive Optics， AO) 是国际上近 20 年来发展起来的光学新技术， 它利用光电子器件实时测量像差动态畸变， 用快速的电子系统进行计算和控制， 用能动器 件进行实时像差校正， 使光学系统具有自动适。
17、应外界条件变化， 始终保持良好工作状态的 能力， 在高分辨率成像观测中具有重要的应用。 0004 分光光度计是指利用多个光谱通道进行图像采集、 显示、 处理和分析解释的技术。 在生物医学应用方面， 利用血液中血红蛋白对不同波长光吸收的不同， 可以分析血氧饱和 度。 0005 人眼的视网膜图像是眼科诊断和治疗中不可或缺的重要信息。 医学研究表明许多 视网膜的病变会引起氧气的大量消耗， 如糖尿病引起的视网膜病变、 青光眼、 血管阻塞等。 通过分光光度计观察视网膜中血氧的变化能够对这些疾病进行早期诊断和检测， 但是活体 人眼存在各种像差， 导致视网膜成像的分辨率和对比度受到很大限制， 同时也极大的限。
18、制 了血氧测量的分辨率。 利用自适应光学能够校正眼底像差， 得到高分辨率的视网膜图像。 在 中国专利申请号 201010197028.0 中介绍了一种基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜 成像系统 (adaptive optics confocal scanning laser ophthalmoscope， AOSLO)。AOSLO 结合了自适应光学技术和共焦扫描成像技术， 能够得到人眼活体高分辨率视网膜图像， 但 无法测量眼底视网膜的血氧饱和度。 发明内容 0006 本发明要解决的技术问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种测量眼底视网膜血 氧饱和度的装置及方法， 利用分光光度计技术和 。
19、AOSLO 技术， 处理几幅不同波长的眼底视 网膜高分辨率图像， 以测定眼底视网膜血管的血氧饱和度。 0007 本发明的技术解决方案 ： 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的装置， 包括 ： 0008 (1) 一个能产生至少两个特定波长光的装置 ； 0009 (2) 基于自适应光学的激光共焦扫描检眼镜 (AOSLO) 光学系统和控制系统 ； 0010 (3) 探测上述特定波长光的装置 ； 0011 (4) 数据采集装置 ； 说 明 书 CN 102028477 B 5 2/4 页 6 0012 (5) 数据处理装置， 即用以确定血氧饱和度的装置 ； 0013 由能产生至少两个不同波长光的装置产生多个。
20、特定波长的光， 将产生的光依次作 为 AOSLO 的光学系统和控制系统的光源， 并用本装置观察人眼视网膜 ； 视网膜反射回来的 光， 由探测光的装置探测， 然后将其探测的光信号由数据采集装置采集 ； AOSLO 的光学系统 和控制系统， 能够利用自适应光学校正眼底像差， 对活体视网膜高分辨率成像， 同时自适应 光学能够利用变形镜产生离焦， 实现视网膜的纵向层析， 使不同波长的光能对视网膜同一 位置成像 ； 不同波长的光对视网膜同一位置的血管成像， 由数据处理装置配准不同波长的 图像后， 计算该血管的血氧饱和度。 0014 一种测量眼底视网膜血氧饱和度的装置及方法步骤如下 ： 0015 (1) 。
21、利用能产生至少两个不同波长光的装置， 依次产生至少两个个特定波长的光， 这些特定波长的光至少包括一个氧化还原蛋白和还原血红蛋白的消光系数差别较大的波 长的光即一种对血氧饱和度敏感的光 ； 0016 (2) 将能产生至少两个不同波长光的装置产生的多个波长的光依次作为 AOSLO 的 光学系统和控制系统的光源， 并用本装置观察眼底视网膜 ； 0017 (3) 利用 AOSLO 的光学系统和控制系统利用自适应光学产生离焦， 以便使不同波 长的光对视网膜血管层中的同一层成像 ； 0018 (4) 利用光探测装置探测信号， 并由数据采集装置采集， 然后输入数据处理装置 ； 0019 (5) 数据处理装置。
22、对采集到的不同波长的图像进行配准， 以便提取视网膜相同位 置的多波长信息 ； 0020 (6) 数据处理装置在上述不同波长图像中的任意一幅图像中， 沿血管寻找多个血 管内最暗点和离最暗点固定距离的组织中的点， 提取这些点的灰度信息， 计算该血管的血 氧饱和度。 0021 本发明与现有技术相比有如下优点 ： 0022 (1) 本发明采用光谱技术能无损地测量眼底视网膜血氧饱和度。 0023 (2) 目前眼底视网膜血管血氧的测量装置， 都只能测量眼底大血管的血氧饱和度。 本发明采用了自适应光学技术， 显著提高了图像的分辨率， 能测量更加精细结构的血氧饱 和度， 能测量眼底毛细血管的血氧饱和度。 00。
23、24 (3) 利用变形镜产生离焦， 能对视网膜做纵向层析， 使不同波长的光能对视网膜血 管层同一层成像， 避免了复杂的消色差操作。 0025 (4) 采用不同波长的光对视网膜依次成像的方法， 既避免了多波长同时成像需要 的分光、 多路同时探测等操作， 同时也合理利用了光能。 附图说明 0026 图 1 为眼底视网膜血氧饱和度测量方法的流程图 ； 0027 图 2 为含氧血红蛋白与还原血红蛋白的消光系数 ； 0028 图 3 为本发明的眼底视网膜血氧饱和度测量装置的组成结构图 ； 0029 图 4 为多波长图像配准过程流程图 ； 0030 图 5 为眼底视网膜血氧饱和度测量装置工作流程图。 00。
24、31 其中 1， 2 为 SLD 光源， 3， 4 为准直透镜， 5、 6 为滤光片， 7、 8、 24 为分光镜， 9、 10、 12、 说 明 书 CN 102028477 B 6 3/4 页 7 13、 15、 16、 18、 20 为球面反射镜， 19、 21 为平面反射镜， 11 为变形镜， 17 为 Y 方向扫描镜， 14 为 X 方向扫描镜， 22 为验光透镜， 23 为人眼， 26 为聚焦透镜， 27 为针孔， 28 为光电倍增管 (PMT)， 29为信号调理电路和图像采集卡， 25为哈特曼传感器， 30， 31为电脑。 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、。
25、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21、 24、 25、 26、 27、 31 为 AOSLO 的光学系统和控制系统。 具体实施方式 0032 下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。 本实施方案以基于自适应光学的 共焦扫描检眼镜 (AOSLO) 为平台， 利用光谱技术测量眼底视网膜血氧饱和度， 其流程如图 1、 5 所示 ； 具体步骤如下 ： 0033 (1) 一个能产生至少两个特定波长光的装置 32 由 SLD 光源 1、 2， 准直透镜 3、 4 和 滤光片 5、 6 组成。SLD 光源 1、 2 的中心波长分别为 680nm 和 796nm， 经过准直透镜 3、 4 。
26、准直 后， 分别利用滤光片 5、 6 滤出中心波长为 680nm、 796nm 带宽为 7nm 的两个波长的光， 其中 796nm 的光是对血氧饱和度不敏感的光， 680nm 的光是对血氧饱和度敏感的光 ； 0034 (2) 将 680nm 的光作为 AOSLO 光学系统和控制系统 25 的光源， AOSLO 光学系统和 控制系统32包括分光镜7、 8、 24， 球面反射镜9、 10、 12、 13、 15、 16、 18、 20， 平面反射镜19、 21， 变形镜 11， X 方向扫描镜 14， Y 方向扫描镜 17， 验光透镜 22， 哈特曼传感器 25， 聚焦透镜 26， 针孔 27， 。
27、电脑 31。 0035 680nm 的光依次通过分光镜 7、 8， 然后依次被球面反射镜 9， 10、 变形镜 11、 球面反 射镜 12、 13、 X 方向扫描镜 14、 球面反射镜 15 和 16、 Y 方向扫描镜 17、 球面反射镜 18、 平面 反射镜 19、 球面反射镜 20、 平面反射镜 21 反射， 最后通过验光透镜 22 后， 在活体人眼视网 膜 23 汇聚于一点。光路中通过 X 方向扫描镜 14 和 Y 方向扫描镜 17 完成对活体人眼视网 膜 23 某个区域的扫描。活体人眼视网膜 23 反射回来的光按原光路返回， 通过分光镜 8 后， 被分光镜 24 分成两路。一路光被哈特。
28、曼传感器 25 探测， 该信号经过电脑 31 处理后控制 37 单元变形境 5 校正眼底像差。另外一路光通过聚焦透镜 26 和针孔 27 后被探测光的装置 33 探测。 0036 (3) 利用变形镜 11 产生离焦， 就可以纵向层析视网膜， 观察视网膜血管层图像 ； 0037 (4)选择光电倍增管28作为探测光的装置33。 用光电倍增管28探测680nm的光， 通过数据采集装置 34 即信号调理电路和图像采集卡 29 对两路信号整形放大， 并采集数据 输入数据处理装置 35 即电脑 30 ； 0038 (5) 将 796nm 的光作为 AOSLO 的光源， 校正人眼像差后， 得到高分辨率视网膜。
29、图 像 ； 0039 (6)利用变形镜11产生离焦， 在采集上幅图像(680nm作为AOSLO光源时采集的图 像 ) 的相同位置再采集图像 ； 0040 (7) 在电脑 30 中编写软件处理多波长图像， 具体方法为 ： 首先采用基于互信息 的方法对采集到的 680nm 和 796nm 的图像进行配准。A 和 B 两幅图像的互信息的定义为 ： 其中 pAB(i， j) 为图像 A 和 B 的联合概率密度， pA(i， j) 和 pB(i， j) 分别为图像 A、 B 的概率密度。pAB(i， j) 用两幅图像的联合直方图来表示， 同时 pA(i， j) 和 pB(i， j) 分别用两幅图像的直方。
30、图来表示。互信息表示两幅图像的相似度， 互信 说 明 书 CN 102028477 B 7 4/4 页 8 息越大， 两幅图像相似度越高， 配准的效果越好。将一幅图像做仿射变换， 计算变换后与另 一幅图像的互信息。不断变换仿射变换的参数， 寻找互信息极大值即可完成配准。图像中 一点 (x， y)T经仿射变换到点 (x， y )T的变换公式为 ：其中参数 为满秩矩阵， a11， a12， a21， a22四个参数共同表示图像的旋转、 缩放、 剪切， 参数 tx表 示图像水平方向平移， 参数 ty表示图像垂直方向平移。 0041 配准过程如图 4 所示。对采集到的 680nm 和 796nm 的视。
31、网膜图像完成配准后， 在 680nm 的图像中沿血管方向寻找多个最暗点， 并找到离每个最暗点固定距离的组织中的点。 假设某个最暗点亮度为I， 离此最暗点固定距离的组织中的点的亮度为I0。 则在相同的位置 分别计算 680nm、 796nm 两幅图像的 I0和 I 之比的对数进而计算 680nm、 796nm 两幅图像的 OD 之比 ODR OD680/OD796， 其中 OD680为 680nm 图像的 I0和 I 之比的对数， 其中 OD796为 796nm 图像的 I0和 I 之比的对数。选取多个最暗点计算 ODR 然后取平均， 以提高 ODR 的测量精度。ODR 与血氧饱和度成线性关系，。
32、 通过 ODR 就可以表示血管内该位置的血氧 饱和度。 0042 虽然通过参照发明的说明和具体实施方案， 已经对本发明进行了图示和描述， 但 普通的技术人员应该明白， 可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变， 而不偏离所附 权利要求书所限定的本发明的精神和范围。 0043 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。 说 明 书 CN 102028477 B 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102028477 B 9 2/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 102028477 B 10 3/3 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102028477 B 11 。