视网膜成像的新方向

视网膜成像的新方向 ……旦 0/ 豪8i9斌’霞自四友戗L, 柱 人类眼睛具有最重要的类似电光器件的 功能.由于长期的进化,在透明的生物晶体 的外层形成了角膜和透镜形状,使人眼适合 于成像.视网膜以大约5百万个锥和1亿个 杆对图像取样,每一个接收器都是波导,像 漏斗一样使光进八一狭窄的充满光色素的管 中,杆状感受器能发出吸收单光子的信号, 在夜间是极灵敏的锥状感受器有在强光的 情况下给我们提供三种彩色的视觉.这些感 受器又反馈给视网膜中的控制机制,以便在 很大的光强动态范围内保持好的视觉,光强 的变化跨度有11个数量级.视网膜回路把图 像转变成整个视场上颜色和光强度变化的标 志的紧凑集合,这些标志通过12D万个光学 神经纤维平行通道输送给大脑.这些标志的 集合覆盖四分之三半球的宽角视场.很多神 经纤维被巧妙地配置成很细小的特殊小凹, 凭借这些光学神经的作用,眼睛可以提供高 敏锐的视觉和宽的视场,所用的光学神经不 比百万像素的CCD相机中的像素纤维多. 最近开发的视网膜摄像技术对人眼精密 结构提供了新的观察手段,将会回答关于正 常人视网膜的基本问题,并能对视网膜疾病 提较好的早期诊断和更有效的治疗.例如 青光眼,随着光学神经纤维作用的逐渐丧失 而导致失明,用传统的成像技术只有在发生 很严重的损伤后才能探测.用新方法可对光 学神经末梢周围的神经纤维层厚度进行精密 测量,将允许对它进行早期的探测和对病态 发展的情况进行较好的监视.另一个例子是 与年龄有关的黑点性退化fAMD),逐渐使60 岁以上的人中枢视力丧失l0%.有一种形 式的AMD视网膜的退化开始是在脉络膜中 形成新的血管,最后在视网膜下面中央凹周 围形成液体泄漏以致于造成视场中最高分辨 率的位置致肓.治疗这种病症需要将光致凝 结的激光束精确地传递到这一病灶区.成像 技术可增强对视网膜这一区域的观察,能进 行早期诊断,对新血管更精确地定位,以更 高的精度进行激光治疗. 1手持式的检眼镜 眼科医生诊断视网膜疾病唯一最重要的 工具是1850年Helmholtz发明的检眼镜,在 这个简单的设备中临床医生用自己的眼睛作 为探测器,用起来非常灵活,这种结构已经 保持了将近150年基本没变. 2眼底摄影术 Jachman和Webster在1886年获得了 第一张活人的视网膜的相片,相机被固定在 病人的头部以减少在曝光过程中图像的移 动.在这些图像中只有最明显的视网膜特征 可以观察到,这大概是由于在所需2.5min的 曝光时间内,眼睛的运动造成了图像模糊. 最近一重大进展是,可对眼底单个光的 反射处进行定量的描述对于整个可见光谱 的大多数波段最大的单个反射处是光感受器 的反射,在63011171上的波段主要是来自视网 膜下面较深层的光,利用这种光线可使视网 膜下面的结构成像.感受器的波导像具有方 向性的天线那样将返回的光束大致集中在瞳 孔上,尽管如此还是很难看到眼睛的内部. 相对来说视网膜本身是透明的,紧接着视网 —!堂苎!塑.—— 膜的下面是色素上层 光电子技术与信息[997年10月 它吸收掉没被杆和 锥中光色素体吸收的剩余光线,两者对于视 力都是有意义的,因为它们使眼睛中的杂散 光减至最小它们共同作用的效果是只有很 少的反射光参与眼底的成像在出射瞳孔的 方向眼底的反射率与波长有关,在整个可见 光谱(400700lllTI)上反射率从0.1%,l0% 变化.此外,3r?n的瞳孔将射出眼睛的光 通量限制在l%以下,将两者结合可知棵眼 的光损耗因子约是10(蓝光)l0.(红光) 这些光损耗对提高眼底成像的信噪比非 常有利.这样为获取足够强的眼底信息,能 增加传递给眼底的能量,增大出射瞳孔或者 提高探襁l器的灵敏度,也可以对眼底本身的 光学特性进行直接的处理增加传递给眼底 的能量有损害视网膜的危险而受到限制,并 且必须使曝光时间足够短以避免由于眼睛的 运动而造成图像模糊使用胶片的眼底照相 机已经接近了最大允许曝光量的ANSI(美国 国家协会)限制增大出射瞳孔一般不 希望超过312,Yfl,因为当瞳孔很大时眼睛的 像差可使眼底成像的对比度降低.使用CCD 相机可以达到提高探测器灵敏度的目的,其 量子效率一般要比胶卷的灵敏度高t00倍以 上另一个提高信噪比的办法是在视同膜中 使用对比度增强剂,用钠荧光素或者吲噪花 青苷等绿色荧光染料进行静脉注射,以增强 眼底中特定目标的对比度,尤其是脉络膜血 管,靠反射光线是看不清的. 3扫描激光检眼镜 Rober~Webb于l979年发明的扫描激 光检眼镜fSLO),在眼底成像工作中代表了 自从用闪光灯以来第一期主要的进展.用光 栅将一个聚焦的激光斑在视网膜上扫描,用 雪崩光电二极管或者光电倍增管这类灵敏 的探测器测量反射光.用一个大的出射瞳孔 以增强光信号,在分辨率方面不会受损,因 为SLO的分辨率取决于在视网膜上扫描的 激光斑的聚焦情况.灵敏的探测器和大的出 射瞳孔相结合使得SLO的灵敏度甚至比配 备有CCD列阵的眼底照相机还要高.由于 SLO的灵敏度高,放宽了视网膜曝光的要 求,并且可以对眼底进行实时成像,倒如 可以定量测量由于血液流动在图中形成的动 态变化,这对糖尿视网膜病人来说是一项重 要的测量.测量眼底反射光偏振态的椭圆度 变化,可以确定神经纤维层的厚度.这些测 量需要多幅图像,可以用SLO快速地获得. 这种扫描系统的另一个优点是:它的光栅允 许在眼底成像的同时获取类似幻灯甚至于电 影的可视图像显示.通过监视图像的移动, 可以很精确地跟踪眼睛的运动.随着对视网 膜疾病了解的加深和治疗方法的改进,该系 统还可用来向视网膜精确地传送光致凝结的 激光脉冲 SLO的另外一个优点是可以配备一个共 焦孔径抑制来自理想扫描位置之外的光线, 因此共焦的SLO有光学削波的能力,这对 于多层眼底成像特别有用.由于眼睛的像差 迫使人们使用小的瞳孔,轴向分辨率被限制 在300m左右,大致上和视网膜的厚度相 当,能够以很高的精度确定视同膜特征的位 置例如共焦的SLO已被用来测量青光眼中 正在发生变化的光学神经末梢的形貌.利用 小的共焦孔径增强了图像中高空间频率,将 横向分辨率提高1.4倍左右.眼睛的像差搅 乱了孔径上光线的分布,若用如此小的孔径 撵测器上的光能量就太小了,一般采用稍大 一 点的孔径,由于能去掉宽角散射光,对反 衬比依然有很大的改进. 4光学相干层面照相术 光学相干层面照相术(OCT)的发明,克 服了眼睛瞳孔及其像差形成的轴向分辨率限 制.OCT技术主要是依靠光源短的相干长 第10卷第5期光电子技术与信息1997年L0月 度进行工作的.光源发出的光分成参考光束 和在视网膜上聚焦的光束,当光程差小于相 干长度时,在视网膜散射的光束与参考光束 之间产生一个干涉信号.对于同一个视网膜 位置改变参考光束的光程长度,OCT可以 在深度上扫描,以从未有过的分辨率探测诸 如视网膜色素上皮血管和玻璃体与视网膜之 间界面等的散射特性.由于OCT的轴向分 辨率不受焦点深度影响,因此在轴向上有些 特性可以超过衍射极限. 以OCT提高了的轴向分辨率可以精确 地测量视网膜的厚度,改进了对许多视网膜 疾病的探测和监视,其中包括青光眼,AMD 和糖尿病斑状水肿等.目前轴向分辨率的极 限约lOm左右,但是有可能会提高到不 足4m.轴向分辨率的提高依靠高的输出 能量,光源的时间相干性较低而保持良好的 空间相干性.受眼睛透射光谱的限制入射瞳 孔的直径一般都比较小(1_2Hm1),以产生较 大的聚焦深度并减少光束在每个轴向位置上 重新聚焦的必要.在目前的仪器中单次轴向 扫描在最佳焦平面中的横向分辨率被限制在 14m左右. 已经开发了两种类型的仪器.Fercher等 人利用角膜的反射作为参考光束以消除眼和 头的轴向运动形成的光程差,Hitzenberger 等人利用该项技术首次测量了活人眼睛视网 膜的厚度.Swanson等人使用的技术不同于 角膜的参考,首次在活人眼睛视网膜内的一 条线上产生了一系列轴向扫描.单次轴向扫 描需要25InS,一次线扫描由100个点组成 就需要2.5s时间 5未来的发展方向 5.1数字图像的后处理 SLO,OCT和CCD成像反映了眼底 数字成像的发展趋势它提供了广泛利用成 像后处理技术以取得定量信息的可能性.在 早期改进视网膜成像的尝试中,利用了简单 的空间滤波器技术以提高视网膜成像的对 比度.更加有效的技术是在刚开始探测时先 估计病人眼睛的具体像差情况,并从眼底图 像中除去它们的影响.例如最近测量人眼波 畸变的进展,就有可能会得到反向滤波的效 果,还有可能利用相位差技术在估计眼睛畸 变的同时获得眼底图像的改进. 5.2自适应光学 最近Miller等人已证明,当瞳孔为6mm 时,能在光学质量特别好的人眼视网膜上,像 单个感受器(直径为2.5—8m)那样小的结 构成像.当使用这样大的光瞳时由于像差的 作用在很大程度上使低的空间频率变模糊, 通常的眼底成像禁止使用大的光瞳.自适应 光学为将眼底成像的对比度推向理论极限和 允许对活人眼中的微观结构进行常规观察带 来了很大的希望.自适应光学原来在地基望 远镜中用于补偿大气湍流的影响,该技术能 很好地适用于矫正眼睛的像差,对不同的眼 睛这种像差差别很大.在1996年1O月于罗 彻斯特召开的OSA年会上Li~ngWilliams 和Miller用自适应光学技术获得了活人眼 睛小凹中光感受器列阵的轮廓鲜明的相片 他们的系统用Hartmann—Shach渡前传感器 首次测量了眼睛的波畸变,并用一个形状可 变的反射镜将畸变了的波前重新形成平面 波前.用他们目前的系统可将畸变矫正到只 有原来的四分之一,并使横向分辨率提高两 倍,光瞳的直径可由3ITIF/]增大到8mil1.衍 射限制的横向分辨率将会提高2.7倍.另外 对光的聚焦能力超过普通眼底照相7倍.自 适应光学技术还可改善进出眼睛的光线质量 以提高图像的清晰度通过一个具有超常视 力的形状可变的反射镜能对个人提供优于眼 镜或者接触性透镜的视力. 特别是共焦的SLO一定会得益于自适 应光学技术,横向分辨率随着光瞳的尺寸线 第19卷第5期光电子技术与信息 性增加,而共焦的SLO的轴向分辨率随着 光瞳尺寸的平方增加,固此通过8111111的光 瞳获得的衍射限制的成像其轴向分辨率就有 可能提高7倍Dreher等人演示了用形状 可变的反射镜矫正眼睛的散光,共焦的SIO 的轴向分辨率获得了提高.附加像差的矫正 将使轴向分辨率挺高到接近理论极限.视网 膜的光学分段最终能提供小到194m的轴 向FWHM,接近目前OCT的能力,这种能 力将会使人们获得活人眼底的具有最高分辨 率的三维图像. 5.3显微成像 新的成像技术提高了对比度和分辨率, 允许以单个细胞的精度跟踪视网膜疾病.目 前在这种范围内对视网膜疾病的研究,是依 靠对激活的视网膜进行显微镜检查,当这种 视网膜从眼睛内取下时要经受不可逆的变 化.对那个被取出视网膜的单个眼睛来说已 经无用了.要在微观的范围内跟踪视网膜疾 病形成的过程或者正常视网膜的增长情况, 尚需将来自于大量被激活的视网膜的证据来 成像和分光的科研探测系统提出了新的要 求.在复杂的应用中,了解这些探测系统的 特性和优点是使测量结果达到最佳化的关 键. 由于诸多原固,许多专门化的科研设备 产生较弱的光学信号.电子器件和其它分检 取样装置体积在不断地缩小,增加了电路的 复杂性,同时对速度的追求也导致了发光强 度的减弱.在某些类型的取样中,尤其是在 1997年10月 判断.而对于活的视网膜,显微成像技术却 可以揭示单个眼睛的全部结果. 彩色视觉是由三种锥体进行调合的.人 们知遭这一事实虽然已有20D年了,但是它 们在人眼视网膜中的空间分布和相对数量及 其特征不能很好地被描述.然而对活人眼中 的单个光感受器进行光谱测量可能获得这种 信息.目前对这些光感受器的波导性质还没 有彻底搞清,若能在自然状态下研究,将会 使目前的模型更加精细.目前对概伺膜网络 的了解还有许多空白,要测绘这种网络需要 更好的方法,即结合电子学记录单个细胞的 信息,对活体视网膜进行显微成像.还能结 合使用诸如相位参比显微镜等其它技术,以 增强像神经纤维层这类构成视网膜的透明结 构的对比度.利用高灵敏度的染料可以识别 和监视特定的亚定型细胞中的神经活动,并 对活体视网膜结构进行显微观察是微生物学 家用于研究活人眼的得力工具. f李光晓1 发流量以避免样品的损耗,因此产生的信号 也很低.人们越来越感兴趣的一些有用的分 检技术,例如荧光光谱和拉曼光谱等,产生 的光子常常不够,必须使用高灵敏度,低噪 声的探测器.由于这些有意义的信号很弱, 常常需要较长的积分时间获得合适的仪器 信噪比(S/N),以便使这种有意义的信号能 被”看见”.这就是说要用量子限制性能的 探浏器,在较长的时间内要具有良好的积分 25 ‘ 乙激钫 , 一需 ,她卿一器洲百像枷 妨一 一