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视网膜是人眼中的一层透明薄膜，视信息在视网膜上形成视神经冲动，通过传导在脑中建立图像[1]。一旦视网膜处发生病变，将会产生视觉障碍，进而影响患者的生活质量[2]。通过视网膜内的血管及其他组织情况可以判断的疾病主要可以分为两大类，一类是以糖尿病、高血压、冠心病为代表的与血液有关的疾病，另一类主要是可以根据视网膜及其周围组织的结构、状态判断的眼底疾病[3-4]。因此，眼底成像检测在临床诊断中显得尤为重要。
19世纪中期，德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹发明了检眼镜，通过该仪器可以观察到视网膜上血管以及其他的组织结构。这使得眼科疾病以及其他相关疾病的诊断取得了飞跃性的进展[5]。近年来，临床中经常采用眼底荧光素血管造影(FFA)、光学相干层析成像技术(OCT)、彩色眼底相机等一系列的手段来采集眼底图像[6-9]。FFA检测利用荧光素作为造影剂，随血液流动至眼部时，通过一组带有滤波片的眼底相机，采集到眼底血管的荧光图像[10]。然而，FFA为侵入性的检测手段，且部分患者会对造影剂产生过敏[11]。OCT是一种基于迈克尔逊干涉的非接触式高分辨率层析成像技术，但是其检查价格较为昂贵且需要专业的医护人员操作[12-13]。与以上技术相比，传统的彩色眼底相机的检查费用相对较低，具有采集图像速度快、无创等优点[14]。但是作为眼底疾病筛查的手段，其体积相对较大且便携性差，限制了其在眼科疾病筛查工作的应用。因此，通过对传统彩色眼底相机做进一步改进，设计一种具有低成本、易操作、便于图像传输等特性的眼科仪器，具有重要的临床应用价值。Sharma等人通过支架将眼科前置镜固定在手机相机前方，使用者只需打开手机闪光灯，即可通过手机观察到眼底情况[15]。该系统虽然结构相对简单，但采集过程易引入杂光及反射光，成像质量较低。Maamari等通过智能手机附加照明光路及成像光路，成功地获得了质量较好的眼底图像，但该系统需添加外置的光源为眼底照明，增加了系统的复杂性[16]。
本文借助智能手机所具备的便携性好、像素高、可无线传输、储存空间大、普及率高等优点，以传统的彩色眼底相机为基础，对照明和成像光路进行简化及小型化后并应用于智能手机端，提出了一种基于智能手机的眼底成像系统。另外，在上述基础上，利用ZEMAX仿真对设计的眼底相机成像系统进一步优化，使之具有更好的成像效果。
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本文设计的眼底相机基本结构由成像系统和照明系统组成。按照如图 1所示的光路结构示意图在光学平台上进行搭建，采集到较好的眼底图像后，将光学系统进行小型化处理，制作成手机外设，配合智能手机进行眼底图像的采集。光线由手机(酷派5950)自带的LED灯发出并通过多个反射镜(PFSQ05-03-P01, Thorlabs)及偏振片1(85-919, Edmund)，经过透镜(ACL2520, Thorlabs)准直后经分束器(45-313, Edmund Optics)分光，其中反射的光线通过眼科前置镜(54D, Ocular MaxField)经瞳孔入射至眼底。入射光被视网膜反射后，反射光线经人眼光学系统后，依次经过眼科前置透镜、偏振片2和中继透镜(LA1131-A, Thorlabs)放大后，成像到智能手机相机上，实现视网膜的图像信息采集。
图 1 基于智能手机的眼底相机示意图
Figure 1. Schematic of the smartphone-based fundus imaging system
由于本文所设计的系统的主要目的是完成某些眼底疾病的初步诊断与筛查，需要清楚地查看视网膜处毛细血管以及视神经乳头、黄斑等组织的健康状况，进而辅助医生进行诊断。要获得较好质量的成像，必须对该系统的主要光学技术指标进行设定。其中，设定最小拍摄瞳孔直径为4 mm；波长范围为390~780 nm(可见光范围内)；工作距离为15~20 mm；照明光源采用手机自带的LED闪光灯。基于上述设定，完成成像系统的设计与各光学元件距离计算，制作基于智能手机的眼底相机，并进行优化设计，最终采集到质量较好的眼底图像。
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手机外设小型化的实现需要利用3D打印技术，它是第三次工业革命的代表性技术之一，也是手机外设能够实现小型化处理的关键[17]。测量各个镜片的尺寸与对应的距离后，利用AutoDesk绘制手机外设的3D结构图。根据几何光学原理计算及实际实验得出该系统中各个镜片之间的距离位置等信息，并尽可能地缩小体积，图 2展示了整个手机外设系统的设计图，随后，利用3D打印技术将整个光学系统封装在一个密闭的盒子中，制成手机外设，具有较好的便携性。
图 2 手机外设设计示意图
Figure 2. Schematic of the smartphone accessory for the portable fundus camera
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利用Zemax仿真软件对上述系统进行模拟仿真，使用相同焦距的双胶合透镜代替原有的眼科透镜，可实现对于整个系统具有相同的仿真效果。通过模拟基于智能手机的眼底相机，得到调制传递函数(MTF曲线)，此时的系统分辨率并不是最优值。为了进一步改善该系统的分辨率及场曲、畸变等性能指标，在仿真软件的镜头调节器内调节各个镜片之间的距离，使MTF曲线具有更多的指向平面上的线对数，即具有较高的分辨率，并在优化的基础上进一步测试，使之具有较小的场曲和畸变。
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利用酷派手机作为接收图像端进行测试，模拟眼到眼科透镜的距离为17 mm。还测试了不同款智能手机端的最优眼底成像工作距离，其结果如表 1所示。
表 1 不同智能手机的最优眼底成像工作距离
Table 1. Optimized working distances of different smartphones
手机型号 华为C8815 酷派5950 iPhone4s 工作距离 19.4 mm 17.0 mm 18.3 mm 通过观察表 1结果，可发现其对于同一模拟眼的工作距离仍然存在较小的差距，这主要是由于不同手机型号的相机的焦距、分辨率等方面存在细微的差别。当手机外设需匹配不同型号的手机时，其工作距离仍然需要进行小范围的调节。在下一步的工作中，将把手机外设的内部结构设计成可调节式，进而完成眼底相机与不同型号手机的匹配。
在光学实验台上得到的模拟眼的采集结果如图 3所示，通过观察不难看出，采集到的图像已经可以清晰地看到视网膜处的微小血管(如图 3中箭头所指的部分)的分布情况，但由于透镜安装座存在一定的厚度，因此采集到的视野范围较小。而在手机外设小型化设计中，固定镜片的安置架厚度较薄，这一弊端得到了有效的改善。
图 3 利用桌面样机系统进行的眼底图像采集
Figure 3. Fundus image acquired by the table-top prototype system
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为了使该系统更好地与智能手机匹配，设计手机的配件结构需具有良好的便携性。整个结构最终设计尺寸为79 mm×88 mm×42 mm，最终的体积不到300 cm3，与手机具有良好的适配性。
小型化处理采集到的图像如图 4所示。在小型化过程中，3D打印的镜片安置架的厚度比市面上购买的镜片安置架的厚度要小很多，这为成像提供了更大的有效视野范围。图 4为集成化眼底成像系统所采集的眼底图像，通过观察图像可发现系统初步实现直径为0.1 mm的细小血管的图像采集，为医院的眼科检查提供初步的意见，有利于眼科疾病的普查工作的推广。为了避免反射镜反射的光线对整个系统造成不良的影响，在照明光路中适当添加了一部分圆筒形结构，但这又使得光线的利用率大大下降，这也是日后需要改进的地方。
图 4 集成化眼底相机系统采集的眼底图像
Figure 4. Fundus image acquired by integrated fundus camera
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在上述内容的基础上，利用Zemax光学仿真软件对眼底成像系统光路进行仿真及优化。通过选择不同镜片并调节镜片之间的距离，获得了最好的调制传递函数(MTF)曲线，并得到了较小的场曲和畸变。表 2为成像系统的Zemax仿真系统参数。
表 2 优化后的成像系统镜头设计
Table 2. Optimized design of lens
表面编号 备注 半径 厚度 材质 物面 无穷 0 1 视网膜 12.500 17.250 1.34, 55.0 2 玻璃体 5.673 4.000 1.41, 55.0 3 晶状体 -10.485 0.000 4 无穷 0.000 5 瞳孔 -10.100 3.000 1.34, 55.0 6 液状体 -3.635 0.600 1.38, 55.0 7 角膜 -6.896 17.000 8 无穷 8.140 9 49 565 7.560 4.500 S-LALS 10 -12.800 1.500 S-TIH53 11 61.600 0.060 1.52, 52.0 12 -666.035 17.029 13 无穷 7.299 14 76.140 1.100 N-SF10 15 9.350 5.250 S-BAH11 16 47 661 -13.980 0.000 17 无穷 41.956 光阑面 3.400 像面 无穷 - 仿真得出平均调制传递函数曲线如图 5所示。在双胶合透镜与人眼的距离为17 mm的情况下，双胶合透镜与中继透镜的距离约为25 mm，MTF曲线基本上与衍射极限相重合，说明此时的调制传递函数效果最优。该图像中横坐标为空间分辨率(即每毫米的线对数)，纵坐标为光学传递函数(OTF)的模量，是衡量光学传递效率的一个指标。在整个图像中不难看出，成像系统视场在低于250 lp/mm处的MTF值均大于0.3，基本可满足查看眼底视网膜的设计要求。
图 5 成像系统的平均调制传递函数
Figure 5. Average modulation transfer function of the imaging system
图 6为该成像系统的场曲和畸变图像，两图均可表明该系统的图像失真情况。在图 6(a)的场曲中，横坐标的单位为微米，可以看出在该系统中，场曲始终小于10 μm。图 6(b)为该系统的畸变，横坐标为百分比，成像系统的畸变保持在0.2%范围内。
图 6 Zemax仿真系统的(a)场曲与(b)畸变
Figure 6. (a)Field curvature and (b)distortion of Zemax simulation results
综上所述，该设计具有较好的调制传递函数曲线，并且场曲和畸变较小，优化后的成像系统的性能得到了进一步的提高，为下一步的研究提供了参考。
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利用智能手机便携性好、普及率高、可进行网络传输等优点，设计了一款基于智能手机的眼底成像系统，其工作距离约为17 mm，且体积不到300 cm3。在该眼底成像系统的基础上，通过仿真优化设计，使场曲小于10 μm，畸变小于0.2%，为下一步的研究提供了有益的参考。该系统可以辅助眼科疾病的远程医疗，并可满足以糖尿病视网膜病变为代表的眼科疾病的社区筛查要求。与传统的眼底相机相比，基于智能手机的眼底相机具有良好的便携性、价格低廉、无创、可存储与传输等多方面的优点。该系统的设计将有助于眼科疾病的社区筛查工作，有利于提高医生的工作效率及医疗资源的合理配置。
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摘要: 眼底成像技术可检测临床视网膜组织状态，其检测结果已成为多种眼底疾病诊断的重要依据。然而，传统的眼底成像系统需要专业医护人员操作，且具有体积大、价格昂贵等缺点。随着智能手机的图像采集、存储、数据传输等功能的不断提升，基于智能手机的眼底成像系统可有效弥补传统眼底成像系统的上述缺陷。在本研究中，我们设计了照明和成像光路并利用3D打印技术将其小型化，通过与智能手机相结合实现了对人眼视网膜图像的采集。结果表明，基于智能手机的眼底相机距离模拟眼的工作距离约为17 mm，安置于体积仅为88 mm×79 mm×42 mm（长×宽×高）的手机外设配件中。随后，利用Zemax对系统光学参数进行了进一步优化。经优化后的成像系统，畸变保持在0.2%范围内，场曲小于10 μm。该系统具有便携性良好、无创、价格低廉等优点，未来可用于多种眼底疾病的社区筛查工作。Abstract: Fundus photography is used to examine the status of retinas, providing important diagnostic information about retinal diseases. Traditional fundus imaging systems are usually disadvantageous for their large size, difficulty of operation, high cost, etc.. With the recent rapid development of smartphones, their cameras, storage and transmission systems, have improved significantly, making them capable of being used for fundus imaging. Thus, the development and design of the fundus imaging system based on smartphones can overcome the shortcomings of traditional fundus imaging. In this study, the imaging and illumination optical path of the smartphone-based fundus imaging system was designed and the size was minimized as a smartphone accessary using 3D printing. Based on the results from the smartphone-based retinal imaging system, the working distance between the proposed system and an artificial eye was approximately 17 mm and the system was placed in a smartphone accessory with a size of 88 mm×79 mm×42 mm. Zemax was used to further optimize the design for better image quality. The distortion of the optimized imaging system is less than 0.2% and the curvature of field is less than 10 μm. The proposed system is portable, noninvasive and cost effective, which is expected to be applied in community hospitals in the near future.
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Key words:
- retinal imaging /
- portable device /
- imaging system /
- numerical simulation
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图 2 手机外设设计示意图
Figure 2. Schematic of the smartphone accessory for the portable fundus camera
图 3 利用桌面样机系统进行的眼底图像采集
Figure 3. Fundus image acquired by the table-top prototype system
图 5 成像系统的平均调制传递函数
Figure 5. Average modulation transfer function of the imaging system
图 6 Zemax仿真系统的(a)场曲与(b)畸变
Figure 6. (a)Field curvature and (b)distortion of Zemax simulation results
表 1 不同智能手机的最优眼底成像工作距离
Table 1. Optimized working distances of different smartphones
手机型号 华为C8815 酷派5950 iPhone4s 工作距离 19.4 mm 17.0 mm 18.3 mm 
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表 2 优化后的成像系统镜头设计
Table 2. Optimized design of lens
表面编号 备注 半径 厚度 材质 物面 无穷 0 1 视网膜 12.500 17.250 1.34, 55.0 2 玻璃体 5.673 4.000 1.41, 55.0 3 晶状体 -10.485 0.000 4 无穷 0.000 5 瞳孔 -10.100 3.000 1.34, 55.0 6 液状体 -3.635 0.600 1.38, 55.0 7 角膜 -6.896 17.000 8 无穷 8.140 9 49 565 7.560 4.500 S-LALS 10 -12.800 1.500 S-TIH53 11 61.600 0.060 1.52, 52.0 12 -666.035 17.029 13 无穷 7.299 14 76.140 1.100 N-SF10 15 9.350 5.250 S-BAH11 16 47 661 -13.980 0.000 17 无穷 41.956 光阑面 3.400 像面 无穷 -
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图(6) / 表 (2)
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