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基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计

曹逸兴 张国旗 卢勇男

曹逸兴, 张国旗, 卢勇男. 基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
引用本文: 曹逸兴, 张国旗, 卢勇男. 基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
CAO Yi-xing, ZHANG Guo-qi, LU Yong-nan. Optical and mechanical design of polarization filtered dermoscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
Citation: CAO Yi-xing, ZHANG Guo-qi, LU Yong-nan. Optical and mechanical design of polarization filtered dermoscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273

基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计

doi: 10.3788/CO.20201302.0273
详细信息
    作者简介:

    曹逸兴(1989-), 吉林长春人, 博士研究生, 2012年于复旦大学获得学士学位, 2014年于悉尼大学获得硕士学位, 2018年进入复旦大学工程与应用技术研究院攻读博士学位, 主要从事光健康领域产品研究。E-mail:yixingcao@sina.cn

    张国旗(1959-), 北京人, 博士生导师, IEEE Fellow, 荷兰代尔夫特理工大学教授, 复旦大学工程与应用技术研究院特聘教授, 国际半导体照明联盟(ISA)咨询委员会共同主席, IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会(ITRW)秘书长, 欧洲微纳米可靠性中心副主任, 国家第三代半导体联盟国际咨询委员会共同主席, 中国电子学会制造与电子封装技术分会副理事长。曾任飞利浦半导体院士(Fellow)及NXP技术战略高级总监, 荷兰国家微/纳米电子、嵌入系统和高科技系统战略创新规划学术委员会共同主席, 荷兰国家材料创新规划指导委员会成员, 欧洲纳米电子技术平台"超越摩尔"战略研究规划负责人, 北京大学客座教授, 中国科学院半导体研究所荣誉教授。是半导体封装技术、可靠性技术、微纳系统集成技术的世界级专家。E-mail:g.q.zhang@tudelft.nl

  • 中图分类号: 170.3890;170.1870;170.3880

Optical and mechanical design of polarization filtered dermoscopy

More Information
  • 摘要: 皮肤镜在临床中已广泛用于诊断皮肤病变,然而,如何更加清晰准确地观察表皮、真皮表皮交界处和真皮乳头层内的色素性结构的大小、形状、颜色的深浅及浅层血管丛血管的大小形态依旧是一个挑战。由于皮肤表皮层类似于镜面反射,不改变反射光的偏振态,而皮肤组织表皮层以下的组织会改变原有光线的偏振态,基于此,本文设计了一个视场为22 mm、倍率为10×的手持偏振皮肤镜,通过采用偏振照明成像技术可以更加清晰有效地观察深层皮肤组织的病变以及病变组织形态,从而提高临床诊断与鉴别效率。
  • 图  1  偏振皮肤镜原理

    Figure  1.  Principle of polarized dermoscopy

    图  2  偏振皮肤镜目镜的光学系统

    Figure  2.  Optical system of dermoscopy eyepiece

    图  3  偏振皮肤镜光学系统MTF

    Figure  3.  MTF of polarized dermoscopy optical system

    图  4  偏振皮肤镜光学像差曲线

    Figure  4.  Optical aberration curves of polarized dermoscopy

    图  5  偏振皮肤镜场曲和畸变曲线

    Figure  5.  Field curvature and distortion curve of polarized dermoscopy

    图  6  3种LED光源分布图

    Figure  6.  Distribution diagram of three kinds of light source of LED

    图  7  LightTools模拟光源照度均匀性。(a)模拟6个白色LED光源照度;(b)模拟12个白色LED偏振光源照度

    Figure  7.  Illuminance uniformity of the source simulated by LightTools. (a) Simulate illumination of 6 white LED sources; (b) simulate illumination of 12 white LEDs with polarized light source

    图  8  非偏振与偏振LED光源照度图。(a)非偏振光源照度图;(b)偏振光源照度图;(c)非偏振光源Y轴辐射分布;(d)偏振光源Y轴辐射分布

    Figure  8.  Unpolarized and polarized LED source illuminations. (a) Unpolarized source illumination; (b) polarized source illumination; (c) Y-axis radiation distribution of unpolarized source; (d) Y-axis radiation distribution of polarized source.

    图  9  总体机械图

    Figure  9.  Overall mechanical diagram

    图  10  (a) 白光非偏振下的皮损形态;(b)黄光非偏振下的皮损形态;(c)白光偏振下的皮损形态;(d)黄光偏振下的皮损形态

    Figure  10.  (a) Skin lesion under white unpolarized light; (b) skin lesion under yellow unpolarized light; (c) skin lesion under white polarized light; (d) skin lesion under yellow polarized light.

    表  1  最终目镜结构参数

    Table  1.   Structure parameters of final eyepiece

    参数名称 参数
    口径/mm 30
    光学总长/mm 28.81
    焦距/mm 25
    入瞳直径/mm 4
    目视倍率 10×
    有效靶面/mm 22
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    表  2  模拟LED光源照明参数

    Table  2.   Simulation LED lighting parameters

    设置条件 白色LED光源参数 偏振LED光源参数
    LED数目 6 12
    LED发散角 30° 30°
    LED倾斜角度 25° 25°
    对角LED距离 35 mm 35 mm
    LED距靶面距离 19 mm 19 mm
    照明均匀性 85% 86%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-04
  • 修回日期:  2019-08-01
  • 刊出日期:  2020-04-01

基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计

doi: 10.3788/CO.20201302.0273
    作者简介:

    曹逸兴(1989-), 吉林长春人, 博士研究生, 2012年于复旦大学获得学士学位, 2014年于悉尼大学获得硕士学位, 2018年进入复旦大学工程与应用技术研究院攻读博士学位, 主要从事光健康领域产品研究。E-mail:yixingcao@sina.cn

    张国旗(1959-), 北京人, 博士生导师, IEEE Fellow, 荷兰代尔夫特理工大学教授, 复旦大学工程与应用技术研究院特聘教授, 国际半导体照明联盟(ISA)咨询委员会共同主席, IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会(ITRW)秘书长, 欧洲微纳米可靠性中心副主任, 国家第三代半导体联盟国际咨询委员会共同主席, 中国电子学会制造与电子封装技术分会副理事长。曾任飞利浦半导体院士(Fellow)及NXP技术战略高级总监, 荷兰国家微/纳米电子、嵌入系统和高科技系统战略创新规划学术委员会共同主席, 荷兰国家材料创新规划指导委员会成员, 欧洲纳米电子技术平台"超越摩尔"战略研究规划负责人, 北京大学客座教授, 中国科学院半导体研究所荣誉教授。是半导体封装技术、可靠性技术、微纳系统集成技术的世界级专家。E-mail:g.q.zhang@tudelft.nl

  • 中图分类号: 170.3890;170.1870;170.3880

摘要: 皮肤镜在临床中已广泛用于诊断皮肤病变,然而,如何更加清晰准确地观察表皮、真皮表皮交界处和真皮乳头层内的色素性结构的大小、形状、颜色的深浅及浅层血管丛血管的大小形态依旧是一个挑战。由于皮肤表皮层类似于镜面反射,不改变反射光的偏振态,而皮肤组织表皮层以下的组织会改变原有光线的偏振态,基于此,本文设计了一个视场为22 mm、倍率为10×的手持偏振皮肤镜,通过采用偏振照明成像技术可以更加清晰有效地观察深层皮肤组织的病变以及病变组织形态,从而提高临床诊断与鉴别效率。

English Abstract

曹逸兴, 张国旗, 卢勇男. 基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
引用本文: 曹逸兴, 张国旗, 卢勇男. 基于偏振滤波的皮肤镜光学和机械设计[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
CAO Yi-xing, ZHANG Guo-qi, LU Yong-nan. Optical and mechanical design of polarization filtered dermoscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
Citation: CAO Yi-xing, ZHANG Guo-qi, LU Yong-nan. Optical and mechanical design of polarization filtered dermoscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 273-280. doi: 10.3788/CO.20201302.0273
    • 皮肤作为人体最大的组织器官,为保护人类身体免受外界环境侵袭扮演着重要的角色。但皮肤组织的病变每年呈递增趋势,早期对皮肤病变组织进行准确诊断并采取积极的治疗措施可以获得非常高的治愈率[1]。因此,如何更准确有效的诊断与鉴别皮肤组织的病变尤为重要。

      皮肤镜的发明使临床诊断皮肤组织变得更加方便快捷[2-6]。皮肤镜的基本原理就是将光源照射到待观察皮肤组织,通过皮肤镜上的放大镜观察皮肤组织的特征[6]。传统的皮肤镜主要为浸润式皮肤镜,其原理将皮肤镜镜头透过矿物油或乙醇等液体观察皮肤。由于皮肤表面的液体可以减小照明光源的反射,使得角质层变得透明,再通过皮肤镜的放大作用能够看到真皮组织的结构。但在该方案中,液体的选择,照明光源的角度,都会在一定程度上使皮肤组织的角质层反射了大部分光源而导致皮肤组织下面的真皮层被掩盖,所以在对真皮层的组织病变的临床诊断中难以做出较为准确的判断。

      近几年来,利用基于偏振光学的方法对人体组织进行诊断得到了较为广泛的应用[7-10]

      当自然光源照射到物体表面时,会发生反射,吸收或是散射。由于皮肤的表皮层折射率较高,当光线照射到皮肤表层时,通常会发生类似镜面反射的现象。此时,观察到的图像主要为皮肤表层的反射光,很难观察到皮肤组织真皮层的病变组织形态。此外,传统的浸润式皮肤镜在检测过程中过于复杂,同时观察效果并不理想。手持式皮肤镜作为皮肤影像领域中的重要装备,在我国尚处于起步阶段,临床中采用美国、德国等西方发达国家的进口产品较多,鲜见高质量国产装备。为了克服这些问题,本文设计了一种正交式偏振皮肤镜,该皮肤镜是一种非接触式皮肤镜。偏振皮肤镜的前端主要由4部分组成:光学系统、照明系统、偏振片P1和偏振片P2。其中,照明系统由白光偏振光源、非偏振的白光光源和黄光光源3种光源组成。白色偏振光源照明时,深层皮肤组织的反射光线会通过在光学系统后方放置的偏振片P2,而表皮层的反射光线将会被偏振片P2阻止进入人眼(探测器),从而可以提高对皮肤组织真皮层病态组织观察的对比度。同样条件下,采用另外两种光源照明。通过对比3种不同光源照明的皮肤组织,可以观察到更多真皮组织的细微特征,可使临床诊断更加准确高效。该偏振皮肤镜不仅可以满足人眼在不同距离和不同视场观察的需求,同时可以通过连接手机摄像头进行图像采集,以便存档和远程诊断。

      本文详细说明了偏振皮肤镜的结构与设计原理,并加工制作出实物。同时,对比了不同光源下皮肤组织的照片,以进一步分析该偏振皮肤镜的性能。

    • 假设当照明光线通过偏振片以后,振幅为A的线偏振光,以角度为i的入射角从空气(n=1)入射到透明介质(表皮层),其折射角为γ,入射线偏振光的偏振面与入射面夹角为α,则平行于入射面和垂直于入射面的分量分别为:

      (1)
      (2)

      根据菲涅尔公式可知[11],反射光的平行入射面与垂直入射面分量分别为:

      (3)
      (4)

      由于A1sA1p位相相同或相反,因此照射在皮肤表面的线偏振光仍为线偏振光。

      此外,根据马吕斯定律知[12],自然光通过偏振片P1以后为一束线偏振光I1,当I1通过偏振片P2以后,其出射光强I2可表示为:

      (5)

      其中,θ为偏振片P1P2的夹角。因此,设置观察皮肤的偏振片P2与照明光源的偏振片P1相垂直,则皮肤表面反射的光线无法通过偏振片P2

    • 偏振皮肤镜的设计原理如图 1(彩图见期刊电子版)所示,光源发出的自然光经过前方放置的偏振片P1后成为线偏振光,一部分线偏振光照射在皮肤表皮层发生反射(近似于镜面反射,不改变光的偏振态),另一部分偏振光线在表皮层发生折射后入射到真皮层,进而在真皮层发生了散射和多次反射;通过光学系统后的光线,再经过偏振片P2,最终可通过人眼(探测器)观测到皮肤组织的相应状态。根据2.1部分可知,由于偏振片P1和偏振片P2的偏振方向相互垂直,而表皮近似于镜面反射,其反射光保持原有的偏振态,所以表皮反射的光线不会通过偏振片P1,故不会被人眼(探测器)所观察到;而真皮层的光线由于发生了散射以及多次反射,最终的出射光线改变了原有的偏振态,因此真皮所反射的部分光线可以通过偏振片P2由人眼(探测器)接收。

      图  1  偏振皮肤镜原理

      Figure 1.  Principle of polarized dermoscopy

    • 为了便于使人眼通过偏振皮肤镜观察真皮组织,同时使手机相机能对真皮组织进行拍照,采用目镜系统代替普通放大镜进行观察。人眼直接观察物体时,通常把物体放在明视距离上,该距离D=250 mm,当人眼调焦在无限远处时,物体(皮肤组织)放在放大镜的前焦点上,则有:

      (6)

      由于目视倍率Γ0为10×,根据公式(6),可以得到目镜的焦距为25 mm。根据皮肤镜22 mm线视场要求,得出目镜全视场角为47.5°。选择对称型目镜作为皮肤镜的初始光学结构,这是因为该初始结构具有结构紧凑,工艺性好,适用于短焦距,具有较大的视场范围并且有利于减小像差。基于该初始结构和初始参数,通过CODE V软件对光学系统进行优化设计,最终目镜的具体参数见表 1,结构如图 2(彩图见期刊电子版)所示。由于人眼在明视距离时,分辨率在0.07~0.12 mm之间,取最小人眼分辨率0.07 mm,则人眼的分辨率为7 lp/mm。图 3表示的是偏振皮肤镜光学系统的光学传递函数(MTF),其系统全视场在70 lp/mm处MTF均在0.2以上,满足人眼对皮肤组织观测的细节需求。此外,图 3图 4图 5分别为偏振皮肤镜的光线像差曲线,场曲和畸变曲线,由图 3图 4图 5可知,像差曲线被控制在±0.025 mm以内,边缘场曲被控制在0.14 mm以内,边缘视场畸变被控制在2.3%以内。因此该偏振皮肤镜满足皮肤组织成像需求。

      表 1  最终目镜结构参数

      Table 1.  Structure parameters of final eyepiece

      参数名称 参数
      口径/mm 30
      光学总长/mm 28.81
      焦距/mm 25
      入瞳直径/mm 4
      目视倍率 10×
      有效靶面/mm 22

      图  2  偏振皮肤镜目镜的光学系统

      Figure 2.  Optical system of dermoscopy eyepiece

      图  3  偏振皮肤镜光学系统MTF

      Figure 3.  MTF of polarized dermoscopy optical system

      图  4  偏振皮肤镜光学像差曲线

      Figure 4.  Optical aberration curves of polarized dermoscopy

      图  5  偏振皮肤镜场曲和畸变曲线

      Figure 5.  Field curvature and distortion curve of polarized dermoscopy

      该目镜结构不仅能够使人眼可以在不同距离视场对皮肤组织进行观察,而且可以使用手机拍照功能获取皮肤组织的照片。

    • 由于LED(Light-Emitting-Diode)光源具有光效高、耗电少和寿命长等特点,可以对皮肤组织提供有效的照明,更有利于对皮肤组织的病变进行分析判断,所以该偏振皮肤镜的照明系统选择LED为照明光源。该照明系统由3部分组成,分别为白色LED偏振光源,白色LED光源和黄色LED光源。白色LED光源光效在97 lm/W左右,而白色LED偏振光源由于起偏器只允许一半的光能量通过,因此LED偏振光源的光效在48.5 lm/W左右,黄色LED光源的光效为70 lm/W。因为自然光通过偏振片后能量会缩小一半,为了保证对皮肤组织照明的均匀性,白色LED偏振光源的个数为白色LED光源的两倍。如图 6(彩图见期刊电子版)所示,在放大镜周围,每间隔15°设置为一个LED光源,共设置有24个LED光源。其中,以0°为起始点到360°为终点,每间隔30°设置为白色LED偏振光源;以15°为起始点到315°为终点,每间隔60°设置为白色LED光源;以45°为起始点到345°为终点,每间隔60°设置为黄色LED光源。

      图  6  3种LED光源分布图

      Figure 6.  Distribution diagram of three kinds of light source of LED

      为了验证系统照明的均匀性,在LightTools中建立照明系统模型。利用LightTools建模并模拟非偏振LED光源和偏振LED光源相应光源的分布,如图 7所示,然后分别对非偏振LED光源和偏振LED光源进行仿真并计算其照明均匀性,具体参数如表 2所示。

      图  7  LightTools模拟光源照度均匀性。(a)模拟6个白色LED光源照度;(b)模拟12个白色LED偏振光源照度

      Figure 7.  Illuminance uniformity of the source simulated by LightTools. (a) Simulate illumination of 6 white LED sources; (b) simulate illumination of 12 white LEDs with polarized light source

      表 2  模拟LED光源照明参数

      Table 2.  Simulation LED lighting parameters

      设置条件 白色LED光源参数 偏振LED光源参数
      LED数目 6 12
      LED发散角 30° 30°
      LED倾斜角度 25° 25°
      对角LED距离 35 mm 35 mm
      LED距靶面距离 19 mm 19 mm
      照明均匀性 85% 86%

      图  8  非偏振与偏振LED光源照度图。(a)非偏振光源照度图;(b)偏振光源照度图;(c)非偏振光源Y轴辐射分布;(d)偏振光源Y轴辐射分布

      Figure 8.  Unpolarized and polarized LED source illuminations. (a) Unpolarized source illumination; (b) polarized source illumination; (c) Y-axis radiation distribution of unpolarized source; (d) Y-axis radiation distribution of polarized source.

      利用LightTools软件对偏振和非偏振LED照明光源进行模拟,得到了相应LED光源对皮肤表面照度图。非偏振光源和偏振光源在皮肤组织表面的辐照度分布如图 8所示,可以看到由于偏振光源为12个LED子光源组成,而非偏振光源由6个LED子光源组成,所以偏振光照明的最高辐照度约为非偏振光照明辐照度的2倍。同时,还通过该软件计算了两种照明方式的均匀性,结果显示偏振光照明的均匀性为86%,非偏振光照明的均匀性为85%。因此,两种照明方式均具有很好的均匀性,满足皮肤组织检查要求。

    • 机械设计图如图 9所示,手持把手为圆柱形,其与前端部分相连接。电路板安装在手持把手内,灯光开关安装在把手外侧,开关有3种模式,分别为偏振白光照明、非偏振光白光照明和非偏振光黄光照明。可充电电源安装在把手后部,并在把手后部安装有USB接口,通过USB接口可以对偏振皮肤镜进行充电。

      偏振皮肤镜的光学部分是一个放大光学系统,主要由两个对称式透镜组成。偏振片P1放置在LED光源前方,偏振片P2放置在光学系统后方,两个偏振方向相互垂直。可以通过手机固定装置将手机与偏振皮肤镜相连接,便于手机采集皮肤组织图像。

      控制电路系统为皮肤镜的LED光源供电,该系统由锂电池供电,并集合了USB充电模块、放电保护模块、升压扩流模块等硬件,通过中央控制单元、电量采集指示、按键控制模块、LED模组驱动模块、LED模组显示模块及各电路板之间的FPC软连接所构成。

      图  9  总体机械图

      Figure 9.  Overall mechanical diagram

      图  10  (a) 白光非偏振下的皮损形态;(b)黄光非偏振下的皮损形态;(c)白光偏振下的皮损形态;(d)黄光偏振下的皮损形态

      Figure 10.  (a) Skin lesion under white unpolarized light; (b) skin lesion under yellow unpolarized light; (c) skin lesion under white polarized light; (d) skin lesion under yellow polarized light.

    • 产品的实拍效果如图 10所示,同一皮肤损伤在不同状态下形态呈现出差异,偏振光下层次感增加,有利于医生的诊断鉴别。由于不同的病变组织对光谱的吸收波段并不相同[13-14],而本文所设计的偏振皮肤镜只包含有白光光源和黄光光源,所以在之后的偏振皮肤镜设计时计划加入更多光谱区域,从而可以更好地对不同病变组织进行诊断与鉴别。同时,手机可以通过该皮肤镜采集皮肤组织的照片,便于在后期较长时间内随访观察时比较病变的发展变化情况。由于产品操作简便,非常适合全科医生和基层医院使用,还可配合远程医疗系统进行远程医疗和临床教学。该产品已经获得第一类医疗器械备案(苏苏械备20180942),在临床上对皮肤损伤的诊断与鉴别等多方面应用与研究取得了满意的效果。

    • 本文设计的偏振皮肤镜作为一种非浸润式皮肤镜,视场为22 mm、倍率为10×,具有操作简便、适用范围广、不损伤患者皮肤组织等特点,不仅简化了皮肤组织病变的检查步骤,而且提高了诊断病变皮肤组织的准确性和时效性。

参考文献 (14)

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