专利名称：自适应光学人眼微视野缺损评价系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应光学人眼微视野缺损评价系统，是一种用于对人眼早期微视野缺 损进行精细评价的光学仪器。
背景技术：
视野(Visual Field)与视力一样对人的劳动生活有重大影响，世界卫生组织规定视野小 于100者，即使中央视力正常也属于盲。视野检查为眼科工作者诊断和跟踪随访主要的致盲 眼病提供了重要信息。勿庸置疑，视野检查是诊断和监测青光眼以及其它一些视觉、视神经 疾病的基本方法。先进的视野检查为相关疾病的早期诊断和病情监测提供了可能，同时为成 功治疗创造了条件。但是，早期细微视野缺损临床难以诊断；以青光眼为例，当采用标准自 动视野计能够诊断存在视野缺损时，已有25%到30%的神经节细胞已经死亡，并且可能存在 更多的神经节细胞已经丧失功能或灵敏度降低，疾病危害已经到了非常严重的程度。
早期视野缺损临床难以诊断的一个原因在于人眼存在"视觉冗余"，即人眼对刺激视标的 响应是多个神经元或功能细胞共同作用的结果。另一个重要原因在于，现有视野计存在"刺激 冗余"，即剌激视标在眼底覆盖一定区域而不是对单细胞刺激。以目前临床使用的视野计的最 小刺激视标为例，其对应的视角为0.1^左右，即使在不考虑人眼屈光系统的影响下，该视标 在眼底黄斑中心大约覆盖150个视锥细胞，使得人眼对视标的响应为视标覆盖区域视锥细胞 以及与其直接或间接相连的所有功能细胞共同响应的综合结果。如果视标剌激范围内仅有一 部分功能细胞功能丧失而其余细胞功能正常，借助于功能正常细胞对刺激视标的响应受试者 仍然可以作出正确的判断，从而使得临床上很难发现早期细微的视野缺损或中心暗点，进而 难以实现对青光眼、视神经萎縮等相关疾病的早期诊断。
为了降低"视觉冗余"和"刺激冗余"对早期细微的视野缺损或中心暗点检査的影响，近年 来发展了短波长自动视野计、倍频视野计、高通分辨视野计等新型的视野计，通过对短波、 中波和长波锥细胞及其对应视路进行选择刺激以降低"视觉冗余"对视野检査的影响，但是其 刺激视标本身仍然是冗余的，因此同样难以发现早期细微的视野缺损或中心暗点。
解决"刺激冗余"的可能方法之一是采用尽可能小的刺激视标，其极限情况是进行单细胞 刺激。但是，视野检査是一种心理物理学方法，刺激视标必须通过人眼屈光系统投射到视网
膜上。刺激视标在眼底的成像不可避免地受到瞳孔直径和人眼像差的影响。瞳孔直径决定了 可投射到眼底视网膜上最小的视标尺寸，它受限于屈光系统物理衍射极限，采用扩瞳的方式 可以获得视细胞(微米量级)分辨的视网膜图像；而人眼像差的大小决定了投射到眼底的刺 激视标图像质量，人眼像差的存在使得刺激视标在眼底产生变形和扩展，即使采用微小刺激 视标也会形成冗余刺激。因此，采用微小剌激视标进行早期细微视野缺损或中心暗点评价时， 必须消除人眼像差对微小视标向眼底投射的影响。
2006年，美国罗彻斯特大学视觉科学中心的Walter Makous和D. R.Williams等人首次提 出将自适应光学技术用于人眼细微视野缺损或中心暗点检査("Retinal microscotomas revealed with adaptive-optics microflashes", Walter Makous, Josepb Carroll, et al.， Investigative Ophthalmology & Visual Science, 9:4160-4167,2006)。他们采用视角为7.5，和0.75'的两种固定 的微小刺激视标，通过自适应光学系统矫正人眼像差，使得0.75'刺激视标55%的光强作用于 眼底单个锥细胞，矫正人眼像差后刺激的集中度相对于矫正前提高了 6倍多，大大降低了刺 激视标的冗余度。采用微小刺激视标，WalterMakous在实验中对l例存在中波锥细胞缺损的 绿色盲和7例锥细胞正常(l例绿色盲，l例红色弱，5例色觉正常)的受试眼测量其视觉频 率曲线(Frequency-of-Seeing curve)。目前Makous等人的研究还处于探索阶段，其主要目的 是考察自适应光学技术对微视野检査的有效性，其研究手段还存在以下几个方面的不足
第一，Makous等人采用已知存在锥细胞缺损的受试者作为测试对象，其刺激视标设计 具有明确的针对性。如果受试者锥细胞缺损状态未知，其单一且固定的刺激视标未必能有效 检测到随机分布的细微视野缺损或中心暗点。
第二， Makous等人所采用的刺激视标位置固定，本质上属于一种静态视野检查方法，仅 能对有限的区域进行检査；
第三，Makous等人在实验测量受试者视觉频率曲线时，为了消除像差探测信标光对测试 的影响，其自适应光学系统处于锁存状态，因此无法监测视觉频率曲线测试过程中人眼像差
的波动情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过自适应光学技术校正人眼像差，采用微小刺激视标大 大降低视野评价中的"刺激冗余"，从而对人眼早期细微视野缺损进行有效评价，发现由如青 光眼等疾病引起的早期细微视野缺损，为相关疾病的早期诊断提供有力工具。
本发明的技术方案是自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于它由近红外 信标、准直镜、第一反射镜、第一分光镜、人眼、光束匹配望远镜、波前校正器、光束匹配 望远镜、第二反射镜、第二分光镜、哈特曼波前传感器、计算机、高压放大器、第三反射镜、
成像光学系统和刺激视标显示装置组成，近红外信标发出的光，经准直镜准直，经第一反射 镜和第一分光镜反射进人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透过第一分光镜和光束匹配望远镜， 再经波前校正器反射，通过光束匹配望远镜，至第二反射镜，第二反射镜将反射光通过第二 分光镜反射进哈特曼波前传感器，该哈特曼波前传感器将采得的光斑图像送至计算机处理得 到人眼波像差，计算机根据测得的人眼波像差经控制软件处理得到波前校正器控制电压，经 高压放大后驱动波前校正器产生相应变化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成后，由计算 机通过软件生成刺激视标，经视频信号送入刺激视标显示装置显示刺激视标，受试人眼通过 第一分光镜、光束匹配望远镜、波前校正器、光束匹配望远镜、第二反射镜、第二分光镜、 第三反射镜、成像光学系统观察刺激视标并做出判断，通过记录受试者的判断对人眼视野微 缺损情况进行评价。
所述的哈特曼波前传感器是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，或基于微透镜阵列的 哈特曼波前传感器。
所述的波前校正器是变形反射镜、或液晶波前校正器、或微机械薄膜变形镜、或双压电 陶瓷变形镜。
所述的刺激视标显示装置是CRT显示器、或商用投影仪、或彩色液晶显示器、或等离子 体显示器、或场致发光显示器、或有机发光显示器。
所述的近红外信标可以是近红外激光器，或近红外半导体激光器，或近红外超辐射半导 体器件。
本发明与现有技术相比所具有的优点是
1、 本发明采用自适应光学技术矫正人眼动态像差，大大降低了由于人眼像差引起的视野 检査刺激冗余，从而及时发现由于疾病引起的早期细微视野缺损，为人眼微视野评价和相关 疾病的早期诊断提供有力工具。
2、 本发明刺激视标图案由计算机软件生成，通过视频信号送入刺激视标显示装置显示， 刺激视标大小、数量、位置和强度均可由计算机进行精确控制。因此，视野检查刺激视标设 计更加灵活，从而可以有效检测到随机分布的细微视野缺损或中心暗点，并可以实现动态视 野检查。
3、 本发明采用人眼不可见近红外信标，可以避免信标光对视野评价的影响，因此可以实 现在视野评价的同时对人眼像差进行实时监测和校正，保证整个测试过程不受人眼像差的影 响。
图1为自适应光学人眼微视野缺损评价系统结构示意图2a为基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器结构示意图图2b为基于微棱镜阵列的哈 特曼波前传感器工作原理示意图3a为基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器结构示意图；图3b为基于微透镜阵列的哈 特曼波前传感器工作原理示意图4为两种刺激视标示例；
图中l为近红外信标、2为准直镜、3为第一反射镜、4为第一分光镜、5为人眼、6为 光束匹配望远镜、7为波前校正器、8为光束匹配望远镜、9为第二反射镜、10为第二分光镜、 ll为哈特曼波前传感器、12为计算机、13高压放大器、14第三反射镜、15成像光学系统、 16为刺激视标显示装置。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。
如图1所示，本发明由近红外信标l、准直镜2、第一反射镜3、第一分光镜4、人眼5、 光束匹配望远镜6、波前校正器7、光束匹配望远镜8、第二反射镜9、第二分光镜IO、哈特 曼波前传感器ll、计算机12、高压放大器13、第三反射镜14、成像光学系统15和刺激视标 显示装置16组成，其中近红外信标1可以是激光器laser、半导体激光器laser diode和超辐射 半导体器件super luminescent diode—SLD;波前校正器7可以是变形反射镜deformable mirror、 液晶波前校正器liquid crystal device、微机械变形镜micro-machined deformable mirror和双压 电陶瓷变形镜bimorph mirror;哈特曼波前传感器11可以是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传 感器，或是基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器；刺激视标显示装置16可以是CRT显示器、 商用投影仪、彩色液晶显示器、等离子体显示器、场致发光显示器和有机发光显示器；消除 人眼角膜的杂光消除可以采用偏轴照明的方法或者采用偏振光源照明，眼底反射光是退偏 的，角膜散射光则不退偏，通过检偏器检不同的偏振态来滤除角膜杂光。
本实施例的自适应光学人眼微视野缺损评价系统工作过程如下近红外信标I发出的光， 经准直镜2准直，经第一反射镜3和第一分光镜4反射进人眼瞳孔；人眼5眼底反射的光， 透过第一分光镜4和光束匹配望远镜6，再经波前校正器7反射，通过光束匹配望远镜8，至 第二反射镜9，第二反射镜9将反射光通过第二分光镜10反射进哈特曼波前传感器11，该哈 特曼波前传感器11将采得的光斑图像送至计算机12处理得到人眼波像差，计算机12根据测 得的人眼波像差经控制软件处理得到波前校正器7控制电压，经高压放大13后驱动波前校正 器7产生相应变化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成后，由计算机软件生成刺激视标， 经视频信号送入刺激视标显示装置16显示刺激视标，受试人眼5通过第一分光镜4、光束匹 配望远镜6、波前校正器7、光束匹配望远镜8、第二反射镜9、第二分光镜IO、第三反射镜
14、成像光学系统15观察刺激视标并做出判断，通过记录受试者的判断对人眼视野微缺损情 况进行评价。本发明采用人眼不可见近红外信标，可以避免信标光对视野评价的影响，因此 可以实现在视野评价的同时对人眼像差进行实时监测和校正，保证整个测试过程不受人眼像 差的影响。
哈特曼波前传感器11可以是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，如图2a所示。由二 维锯齿形相位光栅阵列结构的微棱镜阵列11-1、傅立叶透镜11-2和位于透镜焦平面的CCD 11-3组成。入射光束经微棱镜阵列ll-l后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化， 经由紧贴其后的傅立叶透镜11-2,和位于傅立叶透镜焦面上的CCD 11-3探测其光强分布，该 光强分布包含着二维锯齿形相位光栅阵列11-1所产生的相位信息，每个子孔径所产生的相位 变化不同，因而在傅立叶透镜ll-2焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割。标 准平面波入射产生的光斑阵列事先被保存起来作为标定数据；当具有一定像差的波前入射时， 各个局部倾斜平面波对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反 映到傅立叶透镜11-2焦面的光斑位置偏移上。
CCD 11-3接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，采用质心算法由公式①计算光斑 的位置(x1，y1)，探测全孔径的波面误差信息
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，m=l~M， n=l~N为子孔径映射到CCD 11-3光敏靶面上对应的像素区域，M和N 分别为子孔径映射到光敏靶面上对应区域的横向和纵向像素数，Inm是CCD 11-3光敏靶面上 第(n，m)个像素接收到的信号，xnm， ynm分别为第(n,m)个像素的x坐标和y坐标。
再根据公式②计算入射波前的波前斜率g力，<formula>formula see original document page 7</formula>式中，(x。,y。)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感 器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(；c,，_y,)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测，其
工作原理示意图如图2b所示。
哈特曼波前传感器11也可以是基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器，如图3a所示，由 微透镜阵列11-4和光电探测器件11-5组成，其工作原理为入射光束经微透镜阵列11-4后， 在其焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割；保存标准平面波入射产生的光斑 阵列作为标定数据。当具有一定像差的波前入射时，各个微透镜上的局部波前倾斜引起微透 镜阵列焦面上的光斑位置发生偏移，其工作原理示意图如图3b所示。光电探测器件ll-5接 收到的光斑信号通过计算机进行处理，处理方式与前面所述的基于微棱镜阵列的哈特曼波前 传感器相同。
刺激视标显示装置16是CRT显示器、或商用投影仪、或彩色液晶显示器、或等离子体 显示器、或场致发光显示器或有机发光显示器。刺激视标图案由计算机12通过软件生成，通 过视频信号送入刺激视标显示装置16显示，因此刺激视标大小、数量、位置和强度均可由计 算机12进行精确控制。图4为软件随机产生的两种刺激视标示例，左图为同时产生4个刺激 视标，而右图仅产生一个略大刺激视标。因此，视野检查刺激视标设计相当灵活，并可以实 现动态视野检查。另外，本发明采用人眼不可见近红外信标，可以避免信标光对视野评价的 影响，因此可以实现在视野评价的同时对人眼像差进行实时监测和校正，保证整个测试过程 不受人眼像差的影响。
权利要求
1、自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于它由近红外信标(1)、准直镜(2)、第一反射镜(3)、第一分光镜(4)、人眼(5)、光束匹配望远镜(6)、波前校正器(7)、光束匹配望远镜(8)、第二反射镜(9)、第二分光镜(10)、哈特曼波前传感器(11)、计算机(12)、高压放大器(13)、第三反射镜(14)、成像光学系统(15)和刺激视标显示装置(16)组成，近红外信标(1)发出的光，由准直镜(2)准直，经第一反射镜(3)和第一分光镜(4)反射进人眼(5)瞳孔；人眼(5)眼底反射的光，透过第一分光镜(4)和光束匹配望远镜(6)，再经波前校正器(7)反射，通过光束匹配望远镜(8)，至第二反射镜(9)，第二反射镜(9)将反射光透过第二分光镜(10)反射进哈特曼波前传感器(11)，该哈特曼波前传感器(11)将测得的误差信号送至计算机(12)处理成人眼波像差；计算机(12)根据测得的人眼波像差经计算机控制软件处理得到波前校正器(7)控制电压，经高压放大(13)后驱动波前校正器(7)产生相应变化以校正人眼像差；在人眼像差校正完成后，由计算机(12)通过软件生成刺激视标，经视频信号送入刺激视标显示装置(16)显示刺激视标，受试人眼(5)通过第一分光镜(4)、光束匹配望远镜(6)、波前校正器(7)、光束匹配望远镜(8)、第二反射镜(9)、第二分光镜(10)、第三反射镜(14)、成像光学系统(15)观察刺激视标并做出判断，通过记录受试者的判断对人眼视野微缺损情况进行评价。
2、 根据权利要求l所述的自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于所述的哈 特曼波前传感器(11)是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，或基于微透镜阵列的哈特曼 波前传感器。
3、 根据权利要求1所述的自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于所述的波前 校正器(7)是变形反射镜、或液晶波前校正器、或微机械薄膜变形镜、或双压电陶瓷变形镜。
4、 根据权利要求1所述的自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于刺激视标显 示装置(16)是CRT显示器，或商用投影仪，或彩色液晶显示器，或等离子体显示器，或场 致发光显示器，或有机发光显示器。
5、 根据权利要求1所述的自适应光学人眼微视野缺损评价系统，其特征在于近红外信 标(1)可以是近红外激光器，或近红外半导体激光器，或近红外超辐射半导体器件。
全文摘要
自适应光学人眼微视野缺损评价系统，信标发出的光，经准直镜、第一反射镜和分光镜进人眼瞳孔；眼底反射光透过分光镜和光束匹配望远镜、波前校正器反射、光束匹配望远镜、第二反射镜、分光镜进入哈特曼波前传感器，计算机根据测得的像差计算控制电压，经高压放大后驱动波前校正器校正人眼像差，在像差校正完成后，由计算机软件生成刺激视标并在刺激视标显示装置上显示，受试者通过系统观察刺激视标并做出判断，通过记录受试者的判断对人眼视野微缺损情况进行评价。本发明采用自适应光学技术大大降低由于人眼像差引起的视野检查刺激冗余，及时发现由于疾病引起的早期细微视野缺损，为人眼微视野评价和相关疾病的早期诊断提供有力工具。
文档编号A61B3/024GK101336823SQ200810119128
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者张雨东, 云 戴, 王海英, 饶学军 申请人:中国科学院光电技术研究所