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一种基于图像处理的人眼全自动角膜曲率计研究

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一种基于图像处理的人眼全自动角膜曲率计研究 30 卷 1期 2011年 2月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Chinese Journal of Biomedical Engineering Vo1.3O No.1 February 2011 一 种基于图像处理的人眼全自动角膜曲率计研究 赵俊奇 郭智勇 陈安世 刘海峰 (中北大学光电仪器厂,太原 030051) (清华大学环境工程系,北京 100084) 摘 要:提出一种以光学系统成像原理的 自动角膜曲率计设计方案,并研制完成实验样机,对样机的检测原理、系 统工作原理进行说...
一种基于图像处理的人眼全自动角膜曲率计研究
30 卷 1期 2011年 2月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Chinese Journal of Biomedical Engineering Vo1.3O No.1 February 2011 一 种基于图像处理的人眼全自动角膜曲率计研究 赵俊奇 郭智勇 陈安世 刘海峰 (中北大学光电仪器厂,太原 030051) (清华大学环境工程系,北京 100084) 摘 要:提出一种以光学系统成像原理的 自动角膜曲率计设计方案,并研制完成实验样机,对样机的检测原理、系 统工作原理进行。该研究是将红外园环照到眼睛角膜,经角膜反射成像在 CCD上,首先局部进行边缘检 测,求取全局阈值算法进行二值化图像,然后检测出二值化边缘轮廓,最后再用最小二乘拟合的方法,计算测量角 膜的曲率参数。用标准角膜模拟眼和人眼进行测试,测量精度达到 ±0.02 mm,测量时间小于 1 s。实验结果明, 该方法可行,可以用于医院等角膜曲率参数测量的场合。 关键词:角膜曲率计;DSP系统;边缘检测 中图分类号 R3l8 文献标识码 A 文章编号 0258—8021(2011)O1—0100—05 Auto-ophthalmometer of Eye Based on Image Processing ZHAO Jun.Qi GUO Zhi—Yong CHEN An.Shi LIU Hai-Feng (Optoelectric Instrument Company Nonh University of China,Taiyuan 03005 1,China) (Department ofEnvironment Engineering,Tsinghua University,Bering 100084,China) Abstract:An auto—ophthalmometer based on optical imaging was developed and tested.The principles for detection and operation of the system were presented.Infrared image circle reflected from retina was received by CCD.At first,local edge detection was performed to get the threshold for the binaryzation of the whole image. Then,the edge was extracted and the diopter parameter of the retina was calculated through least squares fitting.The experiments on simulation eyes and human eyes showed that the precision of the measurement could reach ±0.02 mm with time consuming less than 1 S.The system is feasible and can improve the measurement accuracy of the diopter parameter, Key words:ophthalmometer;DSP system ;edge detection 引言 角膜是眼球前面一层透明组织 ,是眼屈光 系统 中最大的折射面,有一定的曲率半径和屈光率,人 眼的全部屈光率是 58.64 nq‘。。在眼的屈光度范 围 中,很大部分的作用是 由角膜表面完成的。角膜表 面屈光率是 40.0~45.0 m~,人眼角膜屈光参数包 括曲率半径和角膜屈光度 (包括角膜球镜 、柱镜和 轴角)。隐形眼镜的科学验配、眼睛角膜屈光度的矫 正手术、对某些角膜病(如圆锥角膜、扁平角膜等) 做 出判别 ,以及人工晶体植入术之前对植入度数 的 测定,都需要角膜曲率计测定这些屈光参数。因 此,角膜屈光参数的准确性具有特别重要的临床 意义。 传统 的光 机式角膜 曲率仪 1856年首先 由 Helmhotlz设计 ¨,它是一种基于 目视手动调焦原理 的用传统刻度显示结果的仪器,主要使用短距望远 镜来观测角膜反射的像,测量曲率半径 ,但有测 量速度慢、依赖操作经验等缺点,尤其对年龄大、不 配合的人群,测量角膜参数特别不方便。近年来, doi:10.3969/j.issn.0258—8021.201 1.O1 Ol7 收稿日期:2010~7-20。录用13期:201O-10-30 基金项目:科技部科技成果重点推广项目(2003EC000084);太原市科技创业种子基金(082114) }通讯作者 。 E-mail:qijunzhao@sina.corn.cn 1期 赵俊奇,等:一种基于图像处理的人眼全 自动角膜曲率计研究 lO1 随着科学技术的发展 ,自动光机电测量式角膜 曲率 计(下面简称“自动曲率计”),以其快速、准确和客 观 ,成为国内外研究的热点。2O世纪 90年代末 ,日 本 Topcon公 司和 Nidek公司相继研制成功了 自动 曲率计;21世纪初,韩国佳乐普公司也在市场销售 这种仪器。但是,都无文献资料记载技术处理方 法,而我国只能依靠进 口,价格昂贵。自动曲率计 由 CCD光学成像系统 、电子图像处理系统和机械 系 统组 成,笔者 根 据 国家 计 量检 定 规程 JJG1011— 2006(角膜曲率计》,提出角膜检测原理、电路系统 工作原理和图像处理及计算方法。 1 系统检测原理 对人眼解剖研究的结果表明,角膜是非球面 的,但 中央表面近似是一个 凸面镜 I3』。本系统的 检测原理就是利用人眼的这一光学特点 ,将排列在 一 固定大小圆环上 的红外 LED照射其相 同直径的 圆靶环(形成靶环系统),产生圆形光环照射眼睛角 膜,角膜反射后经光学系统,成像在 CCD上。由于 眼角膜的屈光状态不一致 ,测量圆环在 CCD上成像 的大小 、形状 也不一样 。如果 是单纯 近视 或远视 眼,在 CCD上呈大小一定清晰的圆环;而若是散光 眼,则呈清晰的椭 圆。通过 电子系统对其处理 ,便 可快速、准确、客观地自动测量人眼角膜屈光参数。 测量系统如图 1所示,圆靶环上面的光源发出 的光线照射到人眼角膜表面。由于角膜表面相当 于一凸面镜 ,会在眼球 内部呈正立缩小 的虚像 ,该 虚像作为成像系统的物,其形状会因人眼角膜曲率 半径的不同而不同,该物通过光学系统在 CCD面上 成倒立的实像。根据 CCD上实像的形状相对于原 标准靶环的形状对 比即可计算人眼角膜曲率半 径 。 CCD 成像系统 靶环 人眼角膜 图 1 角膜屈光参数测量光学原理 Fig.1 Optical schem atic diagram of cornea diopter parameter 根据 CCD上实像的尺寸 Y。和成像系统的放大 倍率 ,即可得到靶环虚像的尺寸 Y ,根据虚像的尺 寸即可计算人眼的角膜曲率半径,如图2所示。 y 、 ● — — d 图 2 角膜 曲率半径计算示葸 Fig.2 Schematic diagram calculating radius of cornea 根据几何关系可知 : f 1) Y Y 而 : YO : (2) , , 、一, Y Y 因此得到 R : (3 p 一Yo 式中,R为角膜曲率半径,d为靶环到眼角膜顶点的 距离 ,Y为靶环的实际尺寸 ,Y。为 CCD上像 的尺寸 , 为成像系统的放大倍率。从上述计算方法可知, 角膜曲率与 d、Y、Y。、卢有关。实际测量时 Y的误差 很小,而 为常数,因此主要考虑的因素为 d,以及 y0计算的准确性。d可以通过 CCD成像系统的清 晰度保证 其精度。角膜屈率半径 的精 度是 4-0.02 mm,对应的CCD光学成像分辨率为 0.1像素,Y。的 计算要求在亚像素精度才能满足计算的要求。Y。 的准确度计算也是本研究的重点。 式(3)是假设眼睛角膜仅有球镜的情况,这时 Y。就是成像在 CCD上圆环的直径。如果角膜有散 光,就要测量互相垂 直方 向的曲率半径 ,这时就相 当于计算成像在 CCD上椭圆环的长轴和短轴。 求出曲率半径,可算出角膜屈光度值为 D :1 000(n一1)/r (4) 式中,D为角膜屈光度值,n为角膜折射率(一般为 1.337 5),r为角膜曲率半径。 将椭圆长、短轴代人式(4)就可算出角膜水平 方向屈光度 D。和角膜垂直方向屈光度 :,角膜 的 散光用 C表示,即 C =D1一D2 (5) 散 光 的轴 角 是 0,即是椭 圆的 长轴 或短 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 3O卷 处理方法计算的模拟眼角膜曲率半径与实际基本 相同,同光机式角膜计测量也在计量误差范 围内, 该方法可行。另外 ,每组实验进行了9次测量 , 重复性在 ±0.03 mm以内,根据随机误差理论 ,每组 数据测量 3次以上求平均 ,结果在 ±0.02 am以内。 测量速度在 1 S以内 ,而用光机式角膜计测量时问 需要数分钟。 表 1 两种方法结果比较 Tab.1 Results of the two calculating method 5 讨论 笔者所研究的人眼全自动角膜曲率计与传统 手动角膜曲率计相比,具有测量速度快、范围宽、性 能稳定、重复性好等优点。 本研究的主要创新点有 : 1)系统采用了高景深和自动实时成像光学设 计方法,克服了传统光机式曲率计聚焦差和靠测量 人员手动调焦主观判断曲率半径情况的缺点,可快 速客观地得到测量结果。 2)系统使用面阵CCD相机成像和高速 DSP数 据处理技术,保证实时成像及数据处理的要求。 3)采用基于边缘特征提取和最小二乘拟合的 方法,保证了高测量精度和数据处理速度。 从实验可以看出,测量精度 ±0.02 Film,达到了 国家角膜曲率半径的计量要求,并且测量速度相对 于传统的光机式角膜曲率计提高了3O倍以上,大大 地提高 了测量的精度和速度。 本研究虽然显著提高了人眼曲率半径的测量 速度,克服了传统的光机式角膜曲率计测量中由于 眼睛疲劳带来的测量精度下降的缺陷。但是,成像 质量仍需人工主观判断,存在一定的由于主观因素 带来的误差,因此全 自动成像式曲率半径测量闭环 系统是未来的主要研究方向。 6 结论 本研究从自动测量人眼角膜曲率半径出发,设 计了一套圆环测量系统 ,采用改进 的最大类 间方差 自适应阈值算法进行二值化图像分割,然后检测椭 圆环的边缘 ,最后使用最小二乘拟合计算椭 圆长轴 和短轴,达到亚像素精度。实验表明,该方法新颖, 对大量数 据进行处 理 ,达到 快速、准确、实用 的 目 的;该方法达到了计算要求,能够精确计算出人眼 角膜屈光参数。 参考文献 [1] Pantazis M.Visual Instrumentation [M ]. New York: McGraw2hill,1999:106 —110. [2] Maloncy PK.Determination of corned image-foming properties from comal topography[j].Am J Opthalmol,1987,105—223. [3] Blaker JW.Toward all adaptive model of the human eye[J].J Opt Soc Am,1980,70(2):220—223. [4] 赵俊奇.人眼屈光度客观式测量的图像采集处理研究[J]. 光学技术,2002,28(4):293—295. [5] 王勤,赵玉环,余景池.图像处理在 MDT测量镜片屈光度中 的应用[J].光电工程,2009,36(12):I14一I18. [6] 鞠颖,王博亮,谢杰镇.基于裂隙灯显微图像的眼前节特征提 取的新方法[J].中国生物医学工程学报,2004,23(3):193 — 203. [7] 肖松山,范世福,张思祥.基于人跟视觉特性的图像处理技术 [J].中国生物医学工程学报,2001,2o(5):441—444. [8] 刘书桂,李蓬,那永林.基于最小二乘原理的平面任意位置椭 圆的评价f J].计量学报 ,2002.23(4):245—247.
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