眼底成像检测用模型眼的研制范文

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〔摘要〕眼底成像检测类设备是眼科检查必不可少的设备，目前国内测量该类设备的准确性尚没有统一的模型眼。现基于GullstrandⅠ号模型眼，设计一种用于检测眼底成像设备的模型眼，并将模型眼应用于眼底照相机的检测。检测结果表明，将ISO10940：2009《眼科仪器眼底照相机》中的测量方法与采用模型眼检测相比，视场角结果相对偏差0.2%，分辨力结果一致。模型眼可替代ISO10940：2009中的测量方法，用作检测眼底成像设备。

〔关键词〕眼底成像设备；模型眼；GullstrandⅠ号模型眼；人眼屈光组织

眼底成像检查类的设备主要有眼底照相机、眼底造影机、眼底扫描仪等，眼底照相机是典型代表。眼底照相机是用来观察和记录眼底状况的仪器，它将眼底以黑白或彩色照片的形式记录和保存下来，是眼科医师的主要诊断工具[1-2]。其主要光学性能包括视场角、分辨力等，这些性能的准确性直接关系到诊断的有效性，进而关系到患者眼睛的安全[3-4]，而如何测量眼底照相机的准确性就成为亟待解决的关键问题。眼底照相机产品的国际标准ISO10940：2009《眼科仪器眼底照相机》[5]已推出，目前眼底照相机国际标准中规定的分辨力、视场角、放大率等测量方法是在距离眼底照相机1m处使用不同的视标来测量。该方法是一种简易的非实际状态的方法，没有考虑实际人眼的状态，如人眼角膜的和晶状体的反射较强，视网膜反射较弱，瞳孔起到光阑的作用，视网膜的形状是曲面而不是平面等，这些国际标准中的方法都没有涉及。本研究针对ISO10940：2009《眼科仪器眼底照相机》中检验方法的不足，基于GullstrandⅠ号模型眼，研究一种模拟人眼成像的眼底成像检测用模型眼，具有与人眼接近的光学参数，如焦距、组织间低反射率、像差等。

1眼底成像检测用模型眼的研制

1.1模型眼光学模块的研制本研究基于在眼视光领域应用最为广泛的眼光学模型——GullstrandⅠ号模型眼[6-7]，设计一种用于眼底成像检测的模型眼。模型眼设计考虑要点：（1）模型眼的屈光特性模拟实际人眼屈光组织，其等效空气中焦距应与人眼接近；（2）考虑模型眼相邻材料层之间的反射光不应影响到眼底照相机接收到的眼底图像，相邻材料层之间的反射光应尽可能降低，结合人眼屈光组织层之间（角膜与房水、房水与晶状体、晶状体与玻璃体）的低反射特性，所以模型眼相邻材料的相对折射率差应与GullstrandⅠ号模型眼屈光组织任意相邻的两层之间的相对折射率差接近；（3）GullstrandⅠ号模型眼作为具有权威性的模型眼，认为其水平代表非调节状态时人眼的正常像差水平，并考虑结合眼底成像分辨力检测，所以，模型眼的近轴光与轴外光的弥散斑半径与GullstrandⅠ号模型眼接近，用以表征带像差的人眼；（4）考虑到眼底面与眼底照相机成像面的物象关系，模型眼出射主光线与眼底切线的夹角应与GullstrandⅠ号模型眼接近；（5）模型眼的调制传递函数（modulationtransferfunction，MTF）会影响眼底照相机的最终成像质量，所以模型眼近轴光的MTF数值与GullstrandⅠ号模型眼应接近，这也是由于模型眼需用于考核眼底成像分辨力的要求。此外，ISO10940：2009检测方法5.2.2条款中提到检测光源可以是“由一个峰值波长介于520~560nm，半峰宽小于80nm的绿色滤色片滤过的光源”[5]，故在设计中不考虑色差，采用与检测光源接近的单色D光（波长589.3nm）进行评价。不考虑色差为模型眼材料的选择提供了方便，只需确保材料直接的相对折射率差与GullstrandⅠ号模型眼接近，实际设计中选用K9玻璃与H-BAK5玻璃。此外，模型眼第一个光学面的曲率半径与GullstrandⅠ号模型眼接近，模拟人眼角膜面；模型眼最后一个光学面的曲率半径与GullstrandⅠ号模型眼接近，模拟人眼视网膜面，即人眼眼底。采用ZEMAX设计，模型眼结果如下。该模型眼由3片光学透镜组成（图1），整个镜头从物方到像方依次为第一镜片、第二镜片、第三镜片，第一镜片、第二镜片、第三镜片之间的相邻面紧贴，其中的第一镜片1为凸透镜，前表面和后表面的半径分别为8mm和-14.027mm，中心厚度为4.5mm，光学面直径为9.5mm，材料为K9玻璃；第二镜片2为凹透镜，前表面和后表面的半径分别为-14.027mm和9.988mm，中心厚度为1.5mm，光学面直径为8.5mm，材料为H-BAK5玻璃；第三镜片3为凸透镜，前表面和后表面的半径分别为9.988mm和-11.476mm，中心厚度为19.264mm，前表面光学面直径为8.5mm，后表面光学面直径为22.0mm，材料为K9玻璃。

1.2视场、分辨力视标的设计视场刻度线呈正交分布，每个方向的范围为5°~30°，所以视场角测量范围可以达到60°。视场刻度线格值为0.5°，每个刻度线的位置、相邻刻度线之间的距离采用ZEMAX软件，由轴外光光线追迹计算得到。分辨力视标呈正交分布，与视场刻度线相隔45°布局，视场中心布局一组分辨力视标，该组由40lp/mm、60lp/mm、80lp/mm、100lp/mm这4个视标组成；视场中部以及边缘，在每个方向分布4组分辨力视标，每一组由25lp/mm、40lp/mm、60lp/mm、80lp/mm这4个视标组成。每个视标包括互成直角的黑白三线视标。

1.3视场、分辨力视标的加工本着经济节能的原则，视标的加工采用光刻技术结合电镀镍技术的工艺方案，具体流程如下：（1）根据上述视标图纸进行光刻掩膜版设计、投版；（2）利用电子束蒸发镀膜设备进行玻璃基底的金属导电膜蒸镀；（3）利用离心涂胶设备在具备导电膜的基底上进行光刻胶均匀涂覆；（4）利用真空烘箱进行样品前烘；（5）利用紫外曝光设备，将涂有光刻胶的基底在光刻掩膜版下进行紫外曝光；（6）通过显影工艺将掩膜版图形转移至光刻胶；（7）利用真空烘箱进行样品后烘；（8）利用电镀镍设备进行金属膜生长，在基底和光刻胶表面生成金属镍层；（9）利用有机溶剂进行光刻胶溶蚀；（10）在显微镜下进行金属镍层与基底的分离，形成具有微米尺度结构的金属光阑。1.4模型眼系统组装金属光阑按照设计形状进行切割，便于金属光阑（平面）粘贴在模型眼球面的最后一面（球面）。粘贴后，放置在模型眼座里，配合固定装置，组成眼底检测用模型眼整体装置。

2模型眼应用于眼底照相机的检测

采用日本尼德克公司AFC-330型眼底照相机进行检测对比。测量指标包括视场角与分辨力。测量方法分别采用ISO10940：2009中的方法与本研究研制的模型眼。

2.1ISO10940：2009中的方法将带有量尺的板放置于眼底照相机出瞳1m处，采用白光照明，眼底照相机调焦清楚后拍摄，测量板上的视场大小，经计算后得到视场角。视场角检测拍摄结果见图3，左视场边缘的刻度为175mm，右视场边缘的刻度为945mm，可计算得到视场半径=（945-175）/2=385mm，视场角=2arctan（385/1000）=42.1°。

2.2本研究研制的模型眼将模型眼放置于眼底照相机工作距离处，采用D光透射照明，眼底照相机调焦清楚后拍摄，检测拍摄结果见图5。可直接根据视场角刻划线读出视场大小，分别读出左边缘视场角刻度为21.5°，右边缘视场角刻度为21.5°，所以视场角检测结果为42.0°；此外视场中心、视场中部、视场边缘可分辨的分辨力线线对分别为60lp/mm、40lp/mm、40lp/mm。2.3对比讨论视场角：对于同一台仪器，即日本尼德克公司AFC-330型眼底照相机，采用ISO10940：2009中的方法检测得到的视场角为42.1°，采用本研究研制的模型眼检测得到的视场角为42.0°，与ISO10940：2009的检测结果仅偏离0.2%。所以，模型眼可满足视场角±7%检测允差的要求，可以替代ISO10940：2009的检测方法。分辨力：对于同一台仪器，即日本尼德克公司AFC-330型眼底照相机，采用ISO10940：2009中的方法与采用本研究研制的模型眼，视场中心、视场中部、视场边缘可分辨的分辨力线线对皆为60lp/mm、40lp/mm、40lp/mm。所以，模型眼可满足检测眼底分辨力的检测要求，可以替代ISO10940：2009的检测方法。

3总结

本研究认为GullstrandⅠ号模型眼作为一种经典模型眼，其参数接近人眼实际情况，从而基于GullstrandⅠ号模型眼，设计了一种用于检测眼底设备的模型眼。模型眼考虑到眼底检测情况，考虑屈光特性、相邻材料的相对折射率差、近轴光与轴外光的弥散斑半径、出射主光线与眼底切线的夹角、近轴光的MTF这5个指标参数，使得与GullstrandⅠ号模型眼接近。采用光刻技术结合电镀镍技术的工艺方案研制视场、分辨力视标。分别采用ISO10940：2009《眼科仪器眼底照相机》中的检测方法与本研究研制的模型眼检测眼底照相机，视场角结果偏差0.2%，分辨力结果一致。本研究研制的模型眼可替代ISO10940：2009《眼科仪器眼底照相机》中的测量方法，用作检测眼底成像设备。

［参考文献］

［1］李科毅.免散瞳眼底照相机在防治糖尿病视网膜病变中的应用[J].现代诊断与治疗，2013，9（10）：2298.

［2］罗俊，谭艺兰，杜芬，等.免散瞳眼底照相技术在学龄前儿童眼底病筛查中的应用[J].国际眼科杂志，2014，14（6）：1179-1180.

作者：彭建华，贾晓航，王敬涛，胡一平 单位：浙江省医疗器械检验研究院