超分辨率视网膜成像方法和系统

技术领域

本发明涉及视网膜成像技术领域，具体提供一种超分辨率视网膜成像方法和系统。

背景技术

人眼视网膜是眼球壁的内层，包含动脉、静脉以及终末血管系统。由于人眼的特殊性，视网膜中的血管系统是人体中唯一可以借助光学技术无创检测的血管系统。眼底视网膜的所包含的微细血管最细约3.5μm-6μm，人体多种内分泌疾病例如高血压、糖尿病等，均会率先表现为对视网膜微细血管的破坏，导致其出现形态改变，包括微血管瘤、出血、渗出等。除以上疾病外，白血病、贫血、肾病、心脏病等均可通过对眼底视网膜微细血管的观察进行早期检测、治疗评估或愈后监测。

目前，观察人眼眼底视网膜的主要方式包括有创性检查与无创性检查两种。有创性检查主要采用荧光血管造影(FFA)技术，但是FFA技术需要对患者注射造影剂，存在一定安全风险。无创成像方式主要有相干层析成像、眼底相机、扫描激光检眼镜等。这些成像方式原理大同小异，均使用一束照明光照亮眼底后，反射光穿过眼睛进入相机成像。通常情况下，受人眼像差影响，普通人眼眼底相机的分辨率在10μm左右，引入自适应光学后，分辨可达到近衍射极限3μm左右，但目前仍无法解决分辨率受限于衍射极限、成像对比度较低等问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种超分辨率视网膜成像方法和系统，主要以多角度照明实现眼底视网膜高频信息的获取，并使用相位恢复算法进行高分辨率重建，最终实现人眼视网膜超分辨率定量相位成像。

本发明提供的超分辨率视网膜成像方法，包括：对眼底视网膜进行多个不同角度的照明，并获取不同角度的照明时的眼底视网膜图像；

通过相位恢复算法计算获得眼底视网膜的高分辨率频谱和人眼像差，并高分辨率重建，获得视网膜超分辨率定量相位成像。

优选的，高分辨率频谱和人眼像差的计算步骤如下：

S1、设定高分辨率频谱

；

其中，(

S2、初始化高分辨率频谱

S3、计算第

；

S4、将频谱区域傅里叶变换至空域

；

S5、用第

；

S6、更新高分辨率频谱，表示为：

；

其中，

更新带有人眼像差的光瞳函数，表示为：

；

其中，

S7、重复S3~S5，直至所有角度照明获取的眼底视网膜图像处理完毕；

S8、重复S3~S7，直至完成迭代次数。

一种超分辨率视网膜成像系统，包括瞳孔对准单元、照明单元、成像单元和标靶引导单元；

瞳孔对准单元包括：近红外LED、瞳孔相机和第一透镜组，近红外LED照射到瞳孔上的光被反射，反射光经第一透镜组处理成像在瞳孔相机上，通过调整保证瞳孔与光轴对准；

照明单元包括：LED阵列的发射光经过第二透镜组以不同角度照亮视网膜，LED阵列上设置有多个位置不同的LED光源，各LED光源可单独控制照明或关闭；

成像单元包括：CCD相机和第三透镜组，照明单元的照明光照亮视网膜后，光经过第三透镜组后成像于CCD相机；

标靶引导单元包括：标靶和第四透镜组，标靶通过第四透镜组在视网膜上成像，通过移动标靶引导眼球朝向不同方向，即可实现照明单元对视网膜不同视场的照明。

优选的，还包括分光镜，其设置在光的传输路径上，用于改变部分光的传输方向。

优选的，第一透镜组包括透镜L4和透镜L5；

瞳孔对准单元的光路上，近红外LED的发射光依次经过视网膜、第一分光镜、第二分光镜、透镜L5、第三分光镜、透镜L4、瞳孔相机。

优选的，第二透镜组包括透镜L1、透镜L2、透镜L3和透镜L5，透镜L1和透镜L2构成4f系统，透镜L3和透镜L5构成4f系统；

照明单元的光路上，LED阵列的发射光依次经过透镜L1、透镜L2、透镜L3、第三分光镜、透镜L5、第二分光镜、第一分光镜、视网膜。

优选的，第三透镜组包括透镜L8、透镜L9和透镜L10；

成像单元的光路上，照明单元照亮视网膜后，光依次经过第一分光镜、第二分光镜、透镜L8、透镜L9、透镜L10、CCD相机。

优选的，第四透镜组包括透镜L6和透镜L7；

标靶引导单元的光路上，标靶的发射光依次经过透镜L7、透镜L6、第一分光镜、视网膜。

优选的，通过超分辨率视网膜成像系统获取多张不同角度的照明的眼底视网膜图像，并通过相位恢复算法进行高分辨率重建，获得视网膜超分辨率定量相位成像。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明通过不同角度照明的方式获取了大量眼底视网膜的高分辨率信息，通过相位恢复算法实现视网膜超分辨率定量相位成像，可大幅度提高眼底视网膜微细血管的对比度，且无需对成像者进行造影。

本发明能够克服人眼像差导致的分辨率降低问题并获取高分辨率重建图像，分辨率可有效提高至0.5倍衍射极限，能够为恢复人眼像差和医疗诊断提供有力支持。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的超分辨率视网膜成像系统的结构图；

图2是根据本发明实施例提供的超分辨率视网膜成像方法的流程图。

其中的附图标记包括：

近红外LED1、人眼2、标靶3、CCD相机4、瞳孔相机5、LED阵列6、第一分光镜7、第二分光镜8、第三分光镜9。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的超分辨率视网膜成像系统的光学架构。

如图1所示，本发明实施例示出的超分辨率视网膜成像系统，包括瞳孔对准单元、照明单元、成像单元和标靶引导单元。

瞳孔对准单元的功能是将人眼瞳孔与光轴进行对准，其具体结构包括：近红外LED1、第一透镜组和瞳孔相机5，第一透镜组由透镜L4和透镜L5构成。

照明单元的功能是以不同角度对瞳孔进行照明，其具体结构包括：LED阵列6和第二透镜组，第二透镜组由透镜L1、透镜L2、透镜L3和透镜L5构成，其中，透镜L1和透镜L2构成一个4f系统，透镜L3和透镜L5构成一个4f系统，LED阵列6上设置有多个位置不同的LED光源，各LED光源可单独控制照明或关闭，每次成像时仅保证其中一个LED光源照明。

成像单元的功能是采集视网膜反射的成像信息，其具体结构包括：CCD相机4和第三透镜组，第三透镜组由透镜L8、透镜L9和透镜L10构成。

标靶引导单元的功能是通过标靶3引导人眼聚焦，其具体结构包括：标靶3和第四透镜组，第四透镜组由透镜L6和透镜L7构成。

利用超分辨率视网膜成像系统对人眼眼底进行无创成像时，首先需要进行人眼瞳孔与系统光轴进行对准，使用近红外LED1照亮人眼瞳孔，近红外LED1的发射光被人眼反射后，反射光入射至第一分光镜7，部分反射光透过第一分光镜7，部分反射光被第一分光镜7反射，在该过程中，仅研究和观察透射部分，透射部分继续传输至第二分光镜8，同理该部分仅研究被第二分光镜8反射改变传播方向的部分光，该部分光经过透镜L5后再次被第三分光镜9反射经过透镜L4，经过透镜L4后聚焦在瞳孔相机5上，通过瞳孔相机5即可获得将人眼瞳孔与光轴的对准情况，依据情况进行调整，保证人眼瞳孔与光轴实现对准。

人眼瞳孔与光轴对准后，依次点亮LED阵列6上的各个LED光源，每次成像时保证仅有一个LED光源照明，LED阵列6的发射光经过第二透镜组以不同角度照亮视网膜，LED阵列6上设置有多个位置不同的LED光源，各LED光源可单独控制照明或关闭；LED光源的发射光依次经过两个4f系统的处理，即透镜L1和透镜L2、透镜L3和透镜L5，在该过程中，光线经过设置在透镜L3和透镜L5之间的第三分光镜9，仅研究透射过去的部分光，该部分光再经过第二分光镜8的反射，并投射过第一分光镜7后进入人眼2，光线进入人眼2后以平面波或球面波照明眼底视网膜，视网膜会将部分光进行反射，反射光再次经过第一分光镜7，透射部分透射经过第二分光镜8后，依次经过透镜L8、透镜L9和透镜L10的处理后，成像在CCD相机4上，即可获得某个照明角度的眼底视网膜图像，重复点亮不同位置的LED光源即可获得多个角度的眼底视网膜图像，所有照明角度完成后关闭LED阵列6，即可进行相位恢复获取人眼眼底视网膜高分辨率重建图像，高分辨率重建图像既包含振幅图像，又包含相位图像。

为了进一步提升成像视场，本发明实施例中还设置了标靶引导单元，当上述过程完成后，开启标靶引导单元，标靶3的发射光依次透过透镜L7和透镜L6进行光线汇聚，光线照射到第一分光镜7上，被其反射的光线再次进入人眼2，人眼2即可观察到标靶3，通过调整标靶3引导眼球转向不同方向，眼球转向不同方向后即可再次启动照明单元和成像单元对眼底不同视场进行照明和成像，获得更多的眼底视网膜图像，即可通过相位恢复获取人眼眼底视网膜大视场超分辨率重建图像。

在本实施例中，将瞳孔对准单元、照明单元、成像单元和标靶引导单元进行的传输光路集成在同一平面内，因此设置了多块分光镜，并且部分光学元件涉及了多单元共用，其中，第一分光镜7、第二分光镜8的透反比为50:50，第三分光镜9的透反比为92:8。此外，也可在各单元的传输光路上增加反射镜等，使各单元设置在不同平面内。

图2示出了根据本发明实施例提供的超分辨率视网膜成像方法的流程。

如图2所示，本发明实施例提供的超分辨率视网膜成像方法，主要对眼底视网膜进行多个不同角度的照明，并获取不同角度的照明时的眼底视网膜图像。本发明实施例即通过上述的超分辨率视网膜成像系统对人眼2进行视网膜图像获取。

S1、首先设定人眼眼底视网膜的高分辨率频谱为

；

其中，

S2、依据获取的多张不同视场、不同角度的低分辨率视网膜图像，通过相位恢复算法计算获得眼底视网膜的高分辨率频谱

初始化高分辨率频谱

S3、将第i张眼底视网膜图像对应的高分辨率频谱中相应区域取出计算，即第

。

第

S4、通过傅里叶变换将频谱区域

。

S5、保留低分辨率图像估计

；

S6、依据上述结果对高分辨率频谱进行更新，更新后表示为：

；

其中，

依据上述结果对带有人眼像差的光瞳函数进行更新，更新后表示为：

；

其中，

S7、重复S3~S5，直至所有视场、所有角度的照明获取的眼底视网膜图像处理完毕。

S8、重复S3~S7，直至完成设定的迭代次数。

依据上述计算获得的高分辨率信息，即可实现高分辨率重建，获得视网膜超分辨率定量相位成像。

本发明实施例利用超分辨率视网膜成像方法和系统进行人眼无创性检查，相比传统眼底成像，本发明可以克服人眼像差导致的分辨率下降问题，还能够将成像分辨率提高至0.5倍衍射极限，并获取视网膜的相位图像，克服了视网膜微细血管成像时的对比度较低问题。以6mm瞳孔直径、532nm照明光、人眼等效焦距18mm为例，利用本发明的成像分辨率可以达到798nm。相位图像能够清晰显示视网膜微细血管的轮廓，无需对成像者进行造影。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。